Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

7.5 Optische und andere Koordinaten (Ort und Winkel) Positionsaufnehmer
Die klassischen Sensoren für diesen Bereich sind Potentiometer, lineare oder
Drehwiderstände, die – direkt oder über mehr oder weniger aufwendige Getriebe mit der
Messstelle verbunden, mit konstantem Strom oder konstanter Spannung betrieben – eine
orts- oder winkelabhängige Spannung liefern.
Für höhere Genauigkeiten können bei kleinen Wegen kapazitive oder piezoelektrische
Prinzipien verwendet werden, bei größeren optische Phasenmessungen (Interferometer),
bei sehr großen optische oder elektrische Laufzeitmessungen. Im
Werkzeugmaschinenbereich werden derzeit hauptsächlich exakte mechanische Maßstäbe
oder Teilscheiben verwendet, die optoelektronisch abgelesen werden.
Unterschieden werden können dabei:
• Inkrementale Geber mit gleichmäßig verteiltem Raster: Hell/Dunkel Wechsel auf die
Verschiebung relativ zur Ausgangslage
• Codierte Weg- und Winkelaufnehmer (Encoder), die mit dem bewegten Maßstab
verbunden ist. Auf Spezialglassubstrate werden hochgenaue Teilungen oder
Kodierungen aufgedampft. Bei den absoluten Encodern entspricht dabei jedes
Codemuster genau einem Messbereich. Die Anzahl der Kanäle bestimmt die
Auflösung und Messgenauigkeit. Dem Vorteil der jederzeitigen Kenntnis der
absoluten Lage steht als Nachteil der hohe Preis gegenüber. Einfacher aufgebaut
sind die gewöhnlichen, relativen Encoder, bei denen nur zwei Kanäle verwendet
werden. Bei ihnen kann durch einfaches Zählen auf den zurückgelegten Weg oder
Winkel geschlossen werden. Dies macht es erforderlich bei der erstmaligen
Inbetriebnahme die Ausgangslage auf geeignete Weise (z.B. Referenzierung) zu
bestimmen.
Die Abtastung erfolgt in der Regel mechanisch, induktiv und optisch.
Bei der optischen Abtastung liegt im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem
Photodetektor das Raster mit seinen lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen
Segmenten. Die Ausgangsspannung des Detektors ändert sich bei einer Bewegung des
Rasters in Abhängigkeit von der Beleuchtung ungefähr dreieckförmig. Sie wird in einem
Komparator mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und in ein binäres
Signal umgesetzt. Die dabei entstehende Folge von rechteckförmigen Impulsen wird
auf einen Zähler gegeben, der z.B. die ansteigenden Flanken erfasst. Der Zählerstand
ist dann ein Maß für die Strecke, die das Werkstück zurückgelegt hat. Durch
Nullstellen des Zählers kann der Anfangspunkt der Messung beliebig innerhalb des
Messbereichs verschoben werden.
7.5.1 Inkrementale Orts- und Drehwinkel-Sensoren
Dauermagnetscheiben, Zahnscheiben oder Strichscheiben werden magnetisch, induktiv
oder optisch abgetastet.
Vorteil: Einfaches Verfahren
Nachteil: Bei Absolutmessungen werden durch jeden Zählfehler die folgenden Messwerte
falsch.
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