Weg, Winkel, Positionsmessung Michael Stocker Bernhard ...

Weg, Winkel, Positionsmessung
Michael Stocker
Bernhard Wintersperger
Industrielle Elektronik
5BHELI 2008/09
HTBLuVA Bulme Graz Gösting

Weg, Winkel, Positionsmessung IE
Inhaltsverzeichnis
1 Wegmessung ...................................................................................................... 3
1.1 Messung über Widerstandsänderung........................................................... 3
1.2 Induktive Messung ....................................................................................... 3
1.2.1 Induktive Wegaufnehmer ...................................................................... 3
1.2.2 Magnetostriktive Wegaufnehmer........................................................... 4
1.2.3 Wirbelstromsensoren ............................................................................ 5
1.3 Kapazitive Messung ..................................................................................... 6
1.4 Laser Messung............................................................................................. 6
1.4.1 Triangulationsmessung ......................................................................... 6
1.4.2 Laufzeitmessung ................................................................................... 7
1.5 Sonstige Messmethoden.............................................................................. 7
1.5.1 Seilzug .................................................................................................. 7
1.5.2 Radar und Ultraschall............................................................................ 7
1.5.3 Konfokal-chromatisch............................................................................ 8
2 Winkelmessung ................................................................................................... 8
2.1 Absolutwertgeber ......................................................................................... 8
2.2 Inkrementalgeber ......................................................................................... 9
2.3 Opto-elektronische Abtastung ...................................................................... 9
2.4 Widerstandsmessung................................................................................. 10
2.5 Schleifkontakte........................................................................................... 10
2.6 Magnetische Abtastung.............................................................................. 10
2.7 Kreiselinstrument........................................................................................ 10
2.8 Piezo Gyroskop.......................................................................................... 11
2.9 Laser Gyroskop.......................................................................................... 12
3 Positionsmessung ............................................................................................. 12
3.1 GPS............................................................................................................ 13
3.1.1 Ortungsprinzip..................................................................................... 13
3.1.2 Genauigkeit......................................................................................... 13
4 Quellen: ............................................................................................................. 14
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1 Wegmessung
1.1 Messung über Widerstandsänderung
Die Messung eines Abstands (Weg) über einen
veränderbaren Widerstand ist die einfachste Methode
eine solche Messung durchzuführen.
Bei dieser Methode wird die absolute Position des zu
messenden Objekts über einen mechanischen Kontakt
auf einer Widerstandsbahn abgebildet und der
Widerstand gemessen. Wie in der Abbildung 1.1.1
ersichtlich, wird die Messung des Widerstands
meistens über Spannungspegel durchgeführt.
Ein großes Problem dieser Methode ist jedoch der
Verschleiß. Dadurch, dass der mechanische Kontakt
ständig auf der Widerstandsbahn schleift, ist diese
stetig einer Reibung ausgesetzt und verschleißt im
Vergleich zu anderen Sensoren schnell.
Als Aufnehmer kommen meist Leitplastik-Potentiometer
zum Einsatz. Die leitende Widerstandsbahn besteht
hier aus einer Kohlenstoff-Harzmischung und ist
vergleichsweise widerstandsfähig.
1.2 Induktive Messung
Bei der induktiven Messung kommen üblicherweise drei verschiedene Arten von
Sensoren zum Einsatz:
− Induktive Wegaufnehmer
− Magnetostriktive Wegaufnehmer
− Wirbelstromsensoren
1.2.1 Induktive Wegaufnehmer
Abb. 1.1.1: Prinzip der
Wegmessung mittels
Widerstandänderung
Induktive Wegaufnehmer funktionieren meist nach dem in der Abbildung 1.2.1.1
abgebildeten Prinzip des linear variablen Differential-Transformators (LVDT). Dabei
wird die Primärspule mit einer konstanten Wechselspannung versorgt und die
induzierten Signale der Sekundärspulen gemessen. Die jeweiligen Signale der
Spulen ändern sich natürlich je nach Position des Kerns, wodurch sich die Position
bestimmen lässt.
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Abb. 1.2.1.1: Prinzip des linear variablen Differential-Transformators
Induktive Wegaufnehmer dieser Bauart werden beispielsweise von der Firma Micro-
Epsilon hergestellt. Neben der induktiven Messung dieser Art gibt es noch zwei
andere Arten, welche aber seltener für Sensoren verwendet werden. Bei diesen
Messarten handelt es sich um die Messungen mittels Tauchankern (Abbildung
1.2.1.2) und Differentialdrosseln (Abbildung 1.2.1.3).
Bei diesen beiden Messverfahren wird jeweils die Impedanz der Spule(n) gemessen.
Beim Tauchanker ändert sich die Impedanz der Spule je nach Position des Kerns.
Bei der Differentialdrossel haben beide Spulen zum Zeitpunkt, da sich der Kern in
Nullposition befindet, dieselbe Impedanz. Wird der Kern in die eine oder andere
Richtung verschoben, so wird die Impedanz der eine Spule jeweils größer und die
der anderen jeweils kleiner. Auf diese Art lässt sich ebenfalls die Position des Kerns
feststellen.
Abb. 1.2.1.2: Tauchanker Abb. 1.2.1.3: Differentialdrossel
1.2.2 Magnetostriktive Wegaufnehmer
Magnetostriktive Wegaufnehmer bedienen sich dem Prinzip der Magnetostriktion.
Wie in Abbildung 1.2.2.1 ersichtlich ist, besteht der Aufbau eines magnetostriktiven
Wegaufnehmers aus einem fixen Messstab mit bestimmten magnetischen
Eigenschaften, einem Sensor der kleinste mechanische Veränderungen detektieren
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kann und den Schwimmermagneten, welche üblicherweise mit dem zu Objekt
verbunden sind, dessen Abstand bzw. Weg bestimmt werden soll.
Abb. 1.2.2.1: Prinzip eines magnetostriktiven Wegaufnehmers
Bei der magnetostriktiven Messung werden Stromimpulse durch einen
magnetostriktiven Draht im Inneren des Messstabes gesendet, welches aufgrund der
speziellen magnetischen Eigenschaften des Messstabes ein gebündeltes Magnetfeld
im Stab erzeugt. Die Magnetfelder der Schwimmermagneten überlagern nun an der
jeweiligen Stelle das Magnetfeld des Stabes und es entsteht aufgrund der
Magnetostriktion eine mechanische Welle in beide Richtungen, welche vom Sensor
ausgewertet werden kann.
Das Prinzip der Magnetostriktion besagt, dass wenn man einen ferromagnetischen
Leiter in ein Magnetfeld legt, sich dessen Weisssche Bezirke ausrichten und sich so
die Länge des Leiters um ca. 10-30 µm ändert.
1.2.3 Wirbelstromsensoren
Abb. 1.2.2.2: Magnetostriktiver Wegaufnehmer
Bei Wirbelstromsensoren wird das Wirbelstrommessprinzip ausgenutzt. Dabei wird
eine sich im Sensor befindende Spule von einem hochfrequenten Wechselstrom
durchflossen, wodurch sich ein ebenso hochfrequentes Magnetfeld bildet.
Dieses Magnetfeld erzeugt nun auf dem leitfähigen „Target“ Wirbelströme, welche
die Impedanz der Spule beeinflussen und ein elektrisches Signal bewirken, das dem
Abstand des Messobjekts zur Spule proportional ist.
Diese Messmethode ist nur bei sehr geringen Entfernungen bis etwa 1,5 cm
einsetzbar und benötigt ein leitfähiges Messobjekt.
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Abb. 12.3.1: Wirbelstromsensor Abb. 12.3.2: Erzeugung der Wirbelströme
1.3 Kapazitive Messung
Kapazitive Sensoren basieren auf dem Prinzip des idealen Plattenkondensators,
welches besagt, dass eine Abstandverschiebung der Kondensatorplatten auch stets
eine Änderung der Gesamtkapazität nach sich zieht. Demzufolge ist eine Änderung
des Plattenabstands proportional zur Änderung der Kapazität.
Diese Messmethode funktioniert in Abständen von ca. 200 µm bis 10 mm.
1.4 Laser Messung
Abb. 1.3.1: Schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors
Bei der Wegmessung mittels Laser gibt es zwei Messprinzipien, die hauptsächlich
eingesetzt werden: das Messen mittels Triangulation und das Messen der
Laufzeiten. Sensoren mit Triangulationsmessverfahren können in Reichweiten von
ca. 2 bis 750 mm eingesetzt werden. Sensoren mit Laufzeitmessung können
hingegen, je nach Ausführung, Reichweiten von mehreren hundert Metern
überbrücken und messen.
1.4.1 Triangulationsmessung
Bei der Triangulationsmessung beleuchtet ein Laserstrahl unter einem bekannten
Winkel das Messobjekt und eine Empfangseinheit, welche sich in einem fixen
Abstand zur Laserlichtquelle befindet, misst den Winkel des reflektierten Lichts. Aus
diesen Informationen kann der Abstand zum Objekt berechnet werden.
Abbildung 1.4.1.1 zeigt einen handelsüblichen Sensor der Firma Micro-Epsilon,
welcher das Verfahren der Triangulation einsetzt und Abbildung 1.4.1.2 zeigt eine
schematische Darstellung des Messprinzips des Sensors.
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Abb. 1.4.1.1: Sensor der Firma Micro-
Epsilson
1.4.2 Laufzeitmessung
Abb. 1.4.1.2: schematische Darstellung der Funktion
des Sensors
Bei der Laufzeitmessung mittels Lasermessung werden von einer Laserlichtquelle
kurze Lichtimpulse auf das Messobjekt projiziert und ein Sensor misst die Laufzeit
bis das reflektierte Licht zurückgeworfen wird.
1.5 Sonstige Messmethoden
Neben den bereits beschriebenen Messmethoden gibt es eine Vielzahl mehr. Zwei
weitere sind in Abschnitt 2.1 und 2.2 beschrieben. Diese zwei Methoden eignen sich
zur Messung von Winkeln ebenso gut wie zur Messung von Wegen.
Hier werden nun noch drei Verfahren beschrieben, welche ebenfalls häufig in der
Industrie Anwendung finden.
1.5.1 Seilzug
Bei der Seilzugmessung werden lineare Bewegungen des zu
messenden Objekts mittels eines flexiblen Stahlseils gemessen.
Das Stahlseil ist auf eine Trommel aufgewickelt, dessen Achse an
einen Sensor gekoppelt ist, welche die Drehbewegungen der
Achse registriert. Bei einer Distanzänderung des Messobjekts
dreht sich nun die Achse der Seiltrommel und der Sensor
registriert die Änderung.
1.5.2 Radar und Ultraschall
Abb. 1.5.1.1
Beide Verfahren basieren auf dem Messprinzip der Laufzeitmessung. Bei Radar
werden elektromagnetische Wellen, bei Ultraschall Schallwellen ausgesendet und ihr
Laufzeit bis zur Rückkehr zum Sender gemessen. Da in beiden Fällen die
Ausbreitungsgeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich dadurch der Abstand zum
reflektierenden Objekt bestimmten.
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1.5.3 Konfokal-chromatisch
Bei der konfokal-chromatischen Messung wird ein Lichtstrahl über
ein Linsensystem in verschiedene Spektren aufgeteilt und durch
eine weitere Optik auf das Messobjekt fokussiert. Die Optik,
bewirkt eine kontrollierte chromatische Abweichung
verschiedener Lichtspektren, die verschiedenen Abständen zum
Messobjekt entsprechen. Der Abstand zum Messobjekt kann
anschließend aus dem reflektierten Licht berechnet werden.
2 Winkelmessung
Im Allgemeinen bedeutet Winkelmessung das Messen zweier Geraden mit Hilfe
technischer Einrichtungen. Die Genauigkeit variiert sehr stark vom Einsatzgebiet. Oft
ist bei der Ausrichtung von Geräten eine Genauigkeit von wenigen Mikrometern
nötig. Wiederrum kann aber auch nur eine ungefähre Winkelbestimmung gefordert
sein. Aus diesen Umständen existieren verschiedenste Methoden, die genau oder
weniger genau, den Winkel bestimmen können. Grundsätzlich kann wie bei der
Positionsmessung zwischen Absolutwertgebern und Inkrementalgebern
unterschieden werden.
2.1 Absolutwertgeber
Abb. 1.5.3.1
Absolutwertgeber geben die
Lageinformation in Form eines digitalen
Zahlenwertes aus. Jede Position
besitzt wie in Abbildung 2.1.1 gezeigt
wird, einen eindeutigen Zahlenwert auf
einem Codelineal, weshalb keine
anfängliche Referenzfahrt nötig ist. Je
nach geforderter Genauigkeit werden
auf dem Codelineal unterschiedlich
viele Spuren aufgebracht, die meist
seriell übertragen werden. Daraus ergibt
sich das Problem, dass mit steigender
Abb. 2.1.1: Absolutwertgeber
Genauigkeit mehr Leitungen zur
Übertragung benötigt werden. Beispielsweise werden bei einer Auflösung von 360°
schon 9 Bit (2^9 = 512), also 9 Leitungen benötigt. Neben der seriellen Übertragung
sind in den letzten Jahrzehnten auch immer mehr Absolutwertgeber mit Bussystem
am Markt verfügbar. Die wichtigsten sind Profibus-Schnittstelle CAN-/CANOpen-
Bus. Absolutwertgeber können außerdem in Singel-Trun und Multi-Turn Geber
aufgeteilt werden. Als Single-Turn Dreher bezeichnet man solche, die nur eine
Umdrehung auflösen können und dann wieder bei 0 beginnen. Multi-Turn Dreher
hingegen beinhalten mehrere Codescheiben, die intern über ein Getriebe verbunden
sind und mehrere Umdrehungen messen können. Absolutwertgeber können mit Hilfe
verschiedener Abtasttechniken ( magnetisch, optisch oder Schleifkontakte) realisiert
werden.
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2.2 Inkrementalgeber
Inkrementalgeber werden auch als Drehgeber oder
Drehimpulsgeber bezeichnet. Wie in Abbildung 2.2.1
gezeigt wird, besitzen Inkrementalgeber Gegenüber
kontinuierlich arbeitenden Absolutwertgebern eine sich
wiederholende periodische Zählspur. Als Ausgangssignal
ergibt sich bei den meisten Inkrementalgebern ein um 90
grad gegeneinander phasenverschobenes Signal, mit Hilfe
dessen sich die Drehrichtung ermitteln lässt. Durch
nachfolgende Auswertung von Impulsanzahl,
Impulsfrequenz und Phasenlage durch eine elektronische
Schaltung, können Weg, Geschwindigkeit und Richtung
bestimmt werden. Um eine korrekte Zählung zu
gewährleisten muss anfänglich eine Referenzfahrt
vorgenommen werden um den realen Nullpunkt zu
ermitteln. Wie bei den Absolutwertgebern funktioniert die
Abtastung optisch, magnetisch oder über Schleifkontakte.
2.3 Opto-elektronische Abtastung
Abb. 2.2.1: Inkrementalgeber
Bei der opto-elektronischen Abtastung sind auf einer Glasscheibe Markierungen
aufgebracht die optisch gelesen werden. Hiermit können sehr hohe Genauigkeiten
erreicht werden und ost weitgehendst verschleißfrei.
Das Abbildende Messprinzip wird der
optoelektronisch Abtastung zugeordnet. Dabei
wird ein Lichtstrahl durch eine Abtastplatte und
eine Blende (Maßverkörperung) die dieselbe
Teilungsperiode aufweisen geleitet. Werden die
Strichgitter zueinander Bewegt, wird das
durchfallende Licht moduliert: Stehen die Lücken
übereinander, fällt Licht durch, befinden sich die
Striche über den Lücken, herrscht Schatten.
Photoelemente wandeln diese Lichtänderungen in
annähernd sinusförmige um 90 Grad
phasenverschobene Signale um. Eine danach
geschaltete Elektronik kann durch diese
Informationen die Richtung und die Abb. 2.3.1: Abbildendes
Winkeländerung auslesen. Mit diesem Verfahren
Messprinzip
können praktikable Teilungsperioden von 10µm und größer erreicht werden.
Aufgrund des Sinusverlaufes der Signale kann auch eine interne Interpolation der
Position erfolgen, die eine weitere Erhöhung der Genauigkeit erlaubt. Bei analogen
Ausgangssignalen kann diese Interpolation auch extern erfolgen. Abhängig vom
Messsystem können dabei Genauigkeiten bis 0,1 µm erreicht werden.
Das Interferentielles Messprinzip wird ebenfalls der optoelektronisch Abtastung
zugeordnet. Es macht sich die Beugung und die Interferenz des Lichts an fein
geteilten Gittern zu nutze. Damit kann eine sehr hohe Genauigkeit (4µm) erzielt
werden.
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2.4 Widerstandsmessung
Die Widerstandsmessung ist die einfachste Form der
Winkelmessung. Dabei wandelt ein Potentiometer den einen
Winkel einfach in ein analoges Messsignal um. Dabei entspricht
jeder Winkel einem bestimmten Widerstandswert. Da
Potentiometer einen Schleifkontakt besitzen weist diese Form
von Winkelmessung einen sehr hohen Verschleiß auf und ist in
kritischen Umgebungen nicht zu empfehlen.
2.5 Schleifkontakte
Inkrementalgeber mit Schleifkontakten arbeiten prinzipiell wie ein Drehschalter. Sie
liefern wie auch andere Inkrementalgeber zwei um 90 Grad gegeneinander Phasen-
Verschobene Signale, anhand deren sich Drehrichtung und -winkel bestimmen
lassen. Übliche Auflösungen sind etwa 32 Positionen pro Umdrehung. Die
Auswertung über Schleifkontakte ist sehr kostengünstig, besitzt jedoch den Nachteil
eines sehr hohen Verschleißes. Mechanische Inkrementalgeber werden daher nur
bei gelegentlicher Betätigung eingesetzt, etwa für digitale Drehknöpfe. Zusätzlich
müssen die Kontakte noch elektronisch oder softwareseitig entprellt werden.
2.6 Magnetische Abtastung
Bei der Magnetmessung erfolgt die
Auswertung durch das Detektieren von
Magnetfeldern. Wie in Abbildung 2.6.1 zu
sehen ist, besteht die Maßverkörperung
bei einem inkrementellen Messsystem mit
magnetischer Abtastung aus einem
hartmagnetischen Träger, auf dem eine
permanentmagnetische Teilung Abb. 2.5.1: Magnetisches Abtastprinzip
(abwechselnd Nord- und Südpol)
aufgebracht wird. Die Abtastplatte trägt mehrere Hallelemente, die ähnlich einer
optischen Mehrfeldabtastung verschaltet sind. Hall Sensoren nutzen den Halleffekt
zur Messung von Magnetfeldern. Wird ein Hallsensor von einem Strom durchflossen
und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht entsteht eine
Ausgangsspannung die proportional zur magnetischen Feldstärke ist. Da der Strom
bekannt ist, kann direkt auf die Stärke des Magnetfeldes geschlossen werden. Im
Gegensatz zu herkömmlichen Spulen, liefert der Hallsensor auch dann eine
Ausgangsspannung wenn sich das Magnetfeld nicht bewegt. Ein Hallsensor kann
daher auch als Absolutwertgeber verwendet werden da eben auch in ruhender
Position festgestellt werden kann in welchen Winkel der Sensor gerade steht.
2.7 Kreiselinstrument
Abb. 2.4.1:
Potentiometer
Eine etwas andere Form der Winkelmessung wird durch ein so genanntes
Kreiselinstrument ermöglicht. Ein Kreiselinstrument ist ein sich rotierender Kreisel der
sich in einem beweglichen Lager befindet. Aufgrund der Drehimpulserhaltung behält
der Kreisel jene Position im Raum bei, in der der Kreisel zum drehen gebracht
wurde. Den Drehimpuls kann man sich als Pfeil vorstellen, dessen Richtung die
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Drehachse angibt und dessen Länge den Schwung der Drehung angibt: Je länger
der Pfeil, desto mehr Drehimpuls. Der Drehimpuls wächst mit:
− höherer Geschwindigkeit,
− größerer Masse, sowie
− größerem Abstand zur Drehachse.
Versucht eine äußere Kraft (F1) die Drehachse
des Kreisels zu kippen, resultiert ein
Drehmoment. Um dies Auszugleichen wirkt (wie
in Abbildung 2.7.1 zu sehen ist) eine zweite Kraft
(F2) senkrecht zur einwirkenden Kraft; der
Kreisel kippt. Daher ergeben sich die zwei
Messprinzipien der Stabilität und Präzision.
Bei der Stabilität wird das Bestreben genutzt,
wonach ein freilaufender Kreisel die Drehachse
beibehält. In der Luftfahrt wird dieses
Messprinzip genutzt um einen virtuellen Horizont Abb. 2.7.1: Kreiselinstrument
zu erzeugen. Ein am Boden zum drehen
gebrachtes Kreiselinstrument wird dazu verwendet.
Die zweite Form der Messung ist die Präzision. Dabei wird im Wesentlichen die Kraft
gemessen, die rechtwinklig zur angreifenden Kraft entsteht. Da die angreifende Kraft
im direkten Zusammenhang zur Präzision steht, wird eine Lageänderung messbar.
2.8 Piezo Gyroskop
Das Piezo Gyroskop ist ein kleines Bauelement, das ebenfalls zur Messung einer
Drehbewegung verwendet werden kann. Im Gegensatz zu den zuvor vorgestellt
Gyroskoptypen, ist es jedoch wesentlich kleiner und kann vergleichsweise einfach
interpretiert werden. Es beruht im Grunde auf den Prinzipien des so genannten
Coriolis Effekts: In einem rotierenden System bewegen sich jeder Punkt mit der
selben Winkelgeschwindigkeit. Allerdings ist die Geschwindigkeit weiter außen
schneller, da eine größere Distanz in der gleichen Zeit zurückgelegt wird wie weiter
innen. Daher wird ein Objekt, das von weiter außen nach innen wandert,
abgebremst. Umgekehrt beschleunigt ein Objekt, das von weiter innen nach außen
wandert. Diese Beschleunigung bzw. Verzögerung wird allgemein als Corolis Effekt
bezeichnet und machen sich eben die Piezo Gyroskope zu nutze.
Wie in Abbildung 2.8.1 zu sehen ist besteht ein Piezogyroksop aus einem
Keramikstäbchen, das durch dass anlegen einer Sinusspannung (bezogen auf die
Abbildung) horizontal zum schwingen gebracht wird. Durch den zuvor erklärten
Corilis Effekt, entsteht bei der Drehung des Systems eine Ablenkung des Stäbchens
in die Wegerechte. Diese Ablenkung ergibt dann am Ausgang ebenfalls ein
sinusförmiges Signal. Allerdings besitzen nahezu alle Piezogyroskope eine interne
Logik, die das Sinussignal in eine sich proportional zur Drehung änderndes
Ausgangssignal liefert.
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2.9 Laser Gyroskop
Abb. 2.8.1: Aufbau eines Piezogyroskops
Ein Laser Gyroskop oder auch
Laserkreisel genannt misst ebenfalls
eine Drehbewegen, jedoch wesentlich
genauer und vor allem verschleißfrei.
Wie in Abbildung 2.9.1 gezeigt wird,
besteht ein Laserkreisel aus zwei
Lichtstrahlen, die gemeinsam in
Gegenrichtung eine geschlossene Bahn
Abb. 2.9.1: Laserkreisel
durchlaufen. Man verwendet als
Lichtquelle einen Laser, da nur so eine monochromatische und frequenzstabile
Strahlung erzeugt werden kann. Für die Lichtstrecke werden mehrere Spiegel oder
eine lange, aufgewickelte Glasfaser verwendet. Die beiden Lichtstrahlen werden
dann zur Überlagerung gebracht. Ist die Lichtschleife in Ruhe, sind beide Signale
identisch, hingegen verursacht eine Drehung der Schleife eine Phasenverschiebung,
die im Interferenzmuster nachweisbar ist.
Um einen Bezug zum Winkel herzustellen, werden sowohl beim Piezo Gyroskop als
auch beim Lasergyroskop die Ausgangssignale zur Zeit Integriert. Allerdings entsteht
vor allem beim Piezo Gyroskop ein sogenannter Bias Drift. Was bedeutet dass sich
Ungenauigkeiten die bei jedem Gyroskop auftreten immer mehr Summieren. Um
dem entgegen zu wirken, werden die Gyroskope im Ruhezustand kalibriert, was
bedeutet dass der hier Gemessene Fehler bei allen weiteren Messungen
ausgeglichen wird.
3 Positionsmessung
Um die Position eines Objektes zu bestimmen, genügt es in einem klar definierten
Rahmen meist schon den Weg und den Winkel des Objektes zu kennen. Aus diesem
Grund ist eine Positionsmessung für industrielle Systeme mit den bereits in Abschnitt
1 und 2 beschriebenen Sensoren möglich.
Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 3.1. In der Abbildung wird die horizontale Position
eines Roboterarms exakt durch drei Laser-Abstandssensoren bestimmt.
Für weltweite Positionsbestimmungen gilt das amerikanische GPS System. Damit ist
es möglich, einen den Standpunkt eines Empfängers weltweit zu lokalisieren.
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3.1 GPS
Abb. 3.1: Positionsbestimmung durch Laser-Abstandssensoren
GPS steht für „Global Positioning System“ und wurde vom amerikanischen
Verteidigungsministerium entwickelt. Es wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb
genommen. Das System besteht aus 33 Satelliten, die ständig ihre sich ändernde
Position und eine genaue Uhrzeit ausstrahlen.
3.1.1 Ortungsprinzip
Ein GPS Empfänger benötigt mindestens drei Satelliten, meistens sogar vier, um
seinen derzeitigen Standpunkt bestimmen zu können.
Für die eigentliche Positionsbestimmung misst der Empfänger die Signallaufzeiten
von drei Satelliten und errechnet daraus seine Position und Geschwindigkeit. Der
vierte Satellit wird benötigt, da die wenigsten GPS Empfänger eine Uhr eingebaut
haben, die genau genug ist, um die Signallaufzeiten korrekt messen zu können.
Deshalb wird die ausgestrahlte Uhrzeit dieses Satelliten dazu verwendet, die genaue
Uhrzeit im Empfänger zu bestimmen.
3.1.2 Genauigkeit
Da das System, wie bereits erwähnt, vom US-Militär entwickelt wurde, wurde für
normale Benutzer bis zum Jahr 2000 eine künstliche Ungenauigkeit eingebaut.
Folgende Genauigkeitsstufen gibt es:
− SPS: Standard Positioning Service
o Allgemeine Nutzung
o 100 m Genauigkeit bis Mai 2000
o 15 m Genauigkeit ab Mai 2000
− PPS: Precies Positioning Service
o Militärische Nutzung
o Ursprünglich 22 m Genauigkeit
o Derzeitige Genauigkeit unbekannt
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4 Quellen:
http://www.emt.tugraz.at/publications/diplomarbeiten/da_untersweg/2_2Wegmessun
g.html [01.04.2009]
http://www.micro-epsilon.de [01.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Wegaufnehmer [05.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Potentiometergeber [05.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Differentialtransformator [12.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostriktiver_Wegaufnehmer [12.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostriktion [12.04.2009]
http://www2.kem.de/kem/live/ha_artikel/detail/30563205.html [28.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Triangulation_(Messtechnik) [28.04.2009]
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Wegmessung-path-measurement.html
[28.04.2009]
http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System [28.04.2009]
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