Versuch=2\*ROMANII:KapazitiveSensorenCDHAW·Mechatronik·2010Gruppe9姓名學號周桐103053張帥斌103066朱鵬程1018182012.11.051.VersuchszielExperimentelleBestimmungvonEigenschaftenundKenngr??enkapazitiverSensoren.2.AufbauundWirkungsweiseKernstückeineskapazitivenSensorsisteineAnordnungausscheibenf?rmigerSensorelektrodeundbecherf?rmigerAbschirmung.DiesebeidenElektrodenbildeneinenKondensatormiteinerGrundkapazit?tCg.DurchAnn?herneinesObjektesandieSensorfl?che(Δs)?ndertsichdieKapazit?tumdenBetragΔC.DieKapazit?ts?nderungistabh?ngigvonderrelativenDielektrizit?tskonstanten(Permittivit?tszahl),denAbmessungendesObjektesunddemAbstanddesObjekteszumSensor.ErkanntwerdenleitendeundnichtleitendeMaterialien.NichtleitendesObjekt-Erh?hungderKapazit?tnurdurchErh?hungdesDielektrikumsimBereichderFeldliniendesKondensatorsbeimEinbringendesObjektes-ΔC=f(AO,εr)mitAO–Oberfl?chedesObjektes,εr–Permittivit?tszahlLeitendes,isoliertesObjekt-zus?tzlichzurGrundkapazit?twirkteineKondensatoranordnungzwischenSensorelektrodeundObjektundzwischenAbschirmungundObjektLeitendes,geerdetesObjekt-zus?tzlicheparalleleKapazit?tzwischenSensorelektrodeundObjekt-gr??teKapazit?tserh?hungΔC---gr??teSchaltabst?nde3.Versuchsvorbereitung3.1WelcheEigenschaftenkennzeichnenkapazitiveSensoren?KapazitiveSensorenk?nnenaufungef?hralleMaterialien,derenDielektrizit?tskonstanteandersistalsdievonLuft,reagieren.DieGr??ederKapazit?tsvergr??erungh?ngtvondemAbstanddesGegenstandesvordemSensor,denAbmessungenundder?u?erenFormdesGegenstandesundderSpezifischenDielektrizit?tskonstante.3.2WasverstehenSieunterfolgendenBegriffen:-SchaltabstandundHystereseSchaltabstand:DerAbstandzwischenderPlatteunddemSensor-Bed?mpfungselement,wennderSensoreingeschaltetistHysterese:DerAbstandzwischenEinschaltabstandundAusschaltabstand-Reduktionsfaktor:Erbeschreibt,umwelchenFaktorsichderSchaltabstandaufgrundunterschiedlicherMaterialiengegenüberWasserodergeerdetenMetallreduziert.-AxialeundtangentialeAnsprechkurveN?mlichtangential4.Versuchsdurchführung4.1VersuchsaufbauGer?teliste:-Rasterplatte-H?henausgleich-FührungsschlittenmitProbenhalter-Wegmesseinrichtung(Ultraschall-WegmesseinrichtungoderMessschieber)-Materialprobenkoffer-KapazitiverSensor-VerteilerbausteinAufbau:4.2MaterialerkennungBestimmenSiefürverschiedeneMaterialprobendieinderTabelle1genanntenEigenschaftendurchSichtprüfung,MessungenundTabellenbücher.StellenSiefest,welchedieserMaterialienmittelskapazitiverSensorenerkanntwerden.FührenSiedazunacheinanderdieverschiedenenMaterialprobenandenSensorheranundkontrollierenSiedenZustandderLED-AnzeigedesSensors.StellenSiedieErgebnissezusammen(Tabelle1)undklassifizierenSienachfolgendenKriterien:-DickedesMaterialprobe-Oberfl?chengüte(glatt,rau)-ElektrischeLeitf?higkeitTabelle1:MaterialerkennungMaterialDicke(mm)Oberfl?cheElektr.Leitf?higkeitProbeerkannt?Ja/NeinBemerkungStahl(St37)1glattJaJaKunststoffsw2glattNeinJaKunststoffws1glattNeinJaKunststoffklar2glattNeinJaKupfer2glattJaJaMessing2glattJaJaAluminium2glattJaJaAluminiumhellgrau2glattJaJaPappe2rauNeinJaBlattPapier2rauNeinJaSchaumstoff2rauNeinJaDasFazit:DerkapazitiveSensorkannungef?hraufalleMaterialienreagieren.4.3BestimmungdesSchaltabstandesundderSchalthystereseDefinitionen:SchaltabstandsAbstand,beidembeiAnn?herungderMessplatteandieaktiveFl?cheentlangderBezugsachseeinSignalwechselamAusgangdesSensorsverursachtwird.SchalthystereseHDerSchaltabstandistbewegungsrichtungsabh?ngig:Schalthysterese=Ausschaltpunkt–EinschaltpunktRelativeSchalthystereseHrelBestimmenSieSchaltabstandundSchalthysteresefürdasMaterialSt37.Aufbau:PlazierenSiedieGer?teaufderRasterplatteundstellenSiedieelektrischenVerbindungenher.BefestigenSiedieMaterialprobe(NormmessfahneausSt37,Breiteb=24mm)amProbenhalter.überprüfenSiedieErdungderleitendenMaterialprobe!SchiebenSiedenFührungsschlitteninRichtungdesSensors,bisdieProbedieSensorstirnfl?cheberührt.SchaltenSiedieWegmesseinrichtungeinundsetzenSiedieAnzeigeaufNull(Referenzposition).FahrenSiedanachdenFührungsschlittenca.20mmvomSensorweg.Versuchsdurchführung:FahrenSiedieMaterialprobelangsammitdemFührungsschlittenandenSensorheran,bisereinschaltet.(LEDleuchtet).BestimmenSiedenAbstand(bezogenaufdieReferenzposition)mitHilfederWegmesseinrichtungundnotierenSiedenWert(Tabelle2).FührenSiedieMessung5-maldurchundberechnenSiedenMittelwertdesEinschaltpunktess-.DieserWertentsprichtbeieinerUmgebungstemperaturvon23°C±5KundderNennbetriebsspannungUN=22VdemNennschaltabstandsn.FahrenSiedieMaterialprobelangsammitdemFührungsschlittenvomSensorweg,biserausschaltet.FührenSiedieMessung5-maldurchundberechnenSiedenMittelwertdesAusschaltpunktess+.Tabelle2:SchaltabstandM1M2M3M4M5MittelwertEinschaltpunkts-[mm]Ausschaltpunkts+[mm]BerechnenSieHundHrelundstellenSiedieHystereseineinemDiagrammdar.12345MittelwertHHrel℅℅℅℅℅℅4.4BestimmungdesReduktionsfaktorsRDefinitionAufbau:VerwendenSiedengleichenAufbauwiebeimvorhergehendenVersuch.BefestigenSiedieMaterialprobe(St37,b=40mm)amProbenhalter.SchiebenSiedenFührungsschlitteninRichtungdesSensors,bisdieProbedieSensorstirnfl?cheberührt.SchaltenSiedieWegmesseinrichtungeinundsetzenSiedieAnzeigeaufNull(Referenzposition)Versuchsdurchführung:BestimmungvonsSt37=snVerschiebenSiedenSchlittensoweitvomSensorweg,bisdieLEDamSensorerlischtunddannwiederinRichtungdesSensors,bisderAusgangeinSchaltsignalabgibt(LEDan).BestimmenSiedenAbstand(bezogenaufdieReferenzposition)mitHilfederWegmesseinrichtungundnotierenSiedenWert(Tabelle3).FührenSiedieMessung5-maldurchundberechnenSiedenMittelwertdesSchaltabstandessSt37.Tabelle3:SchaltabstandsSt37M1M2M3M4M5MittelwertsSt37[mm]WiederholenSiedieobenbeschriebeneMessungfürdieinderTabelle4angegebenenMaterialien.BestimmenSiedenReduktionsfaktorRfürdieseMaterialproben.Tabelle4:ReduktionsfaktorMaterialEinschaltpunkts-[mm]ReduktionsfaktorRR[%]M1M2M3M4M5MittelwertM1M2M3M4M5MittelwertM1M2M3M4M5MittelwertKupfer0.940.940.920.930.9349494949293Aluminium5.840.940.970.970.940.940.9529497979494Magnet0.990.990.990.998101101999999Messing6.06.1,6.16.16.041.031.031.03971039710310399Stahl(V2A)6.26.26.26.26.06.161.021.021.021.021.0110210210210297101PVCwei?1.71.11.31.11.11.260.280.180.210.180.180.2072818211818PVCsw1.91.31.91.91.860.210.310.210.30312131312130PVCrot1.71.71.71.31,91.660.280.280.280.210.310.27282828213127Pappe2.62.62.62.82.42.60.430.430.430.460.390.43434343463943Schaumstoff1.10.180.180.240.180.240.20718182418244.5BestimmungderAnsprechkurves=f(x)Aufbau:PlatzierenSiedieGer?teaufderRasterplatteundstellenSiedieelektrischenVerbindungenher.BefestigenSiedieMaterialprobe(St37,b=24mmoderb=18mm)seitlichamProbenhalter.FahrenSiedieMaterialprobemitdemFührungsschlittensoandieStirnfl?chedesSensorsheran,dasservollst?ndigüberdecktistunddieSensorachsesichgenauinderMittederMaterialprobebefindet.JustierenSiedenSensordurchL?senderMutternundverschiebenSiedenSensorimHaltewinkelso,dasserdieMaterialprobeberührt.(s=0).SchaltenSiedieWegmesseinrichtungeinundsetzenSiedieAnzeigeaufNull(Referenzposition).Versuchsdurchführung:FahrenSiedieMaterialprobenachrechts,bisderSensorausschaltet(LEDaus).FahrenSiedannwiederetwasnachlinks,bisderSensoreinschaltet.BestimmenSiedieseitlicheVerschiebungx(bezogenaufdieReferenzposition)mitHilfederWegmesseinrichtungundnotierenSiedenWert(Tabelle5).FührenSiedieMessung5-maldurchundberechnenSiedenMittelwertderseitlichenVerschiebungx.FügenSieAbstandsplattenzwischenMaterialprobenhalterundMaterialprobeein,sodassderAbstandszwischenSensorundMaterialprobe2mmbetr?gtundwiederholenSiedievorhergehendeVersuchsdurchführung.BestimmenSieabermalsdieseitlicheVerschiebungundnotierenSiedenWert(Tabelle5).WiederholenSiedieMessungenmitdenAbst?nden:4mm,6mm,7mmund8mm.Tabelle5:AnsprechkurveAbstands[mm]SeitlicheVerschiebungx[mm]M1M2M3M4M5Mittelwertrelirelirelirelirelireli018.111111118.1121117.5117.5117.7117.41414.114.314.114.114.314.114.314.114.314.314.2214.18610.09.810.29,810.29.810.29.810.210.010.169.847kannnichtmessen8DasFazit:Jegr??erderAbstandzwischenBed?mpfungsfahneundaktiverFl?cheist,destoh?hermussderBedeckungsgradseindamitderSensorreagiert.4.6BestimmungdermaximalenSchaltfrequenzdesSensorsAufbau:PlazierenSiedenkapazitivenSensoraufdenH?henausgleichvorderMotoreinheitundstellenSiedieelektrischenVerbindungenher.JustierenSiedenSensorso,dassdessenStirnfl?checa.2mmvonderSegmentscheibederMotoreinheitentferntist.StellenSiedenDrehknopfderDrehzahlregelungauflinkenAnschlag(minimaleDrehzahl).Versuchsdurchführung:SchaltenSiedieMotoreinheitein.LesenSiedieAnzahldererfasstenImpulseproSekundeamZ?hler-/Frequenzbausteinab.Erh?henSiemitdemDrehknopfderDrehzahlregelunglangsamdieDrehzahlderSegmentscheibebisdieImpulsanzeigeinstabilwird.NotierenSiediemaximaleImpulszahlproSekundebeiderdieAnzeigestabilbleibt(Tabelle6),diesistdiemaximaleSchaltfrequenzdesSensorsFührenSiedieMessung5-maldurchundberechnenSiedenMittelwertdermaximalenImpulszahl.Tabelle6:MaximaleImpulszahlM1M2M3M4M5MittelwertImp/skannnichtmessenDerkapazitiveSensorkannungef?hraufalleMaterialienreagieren.AufderSchaltplattegibtesnurzweiverschiedeneMaterialien:MetallundPlastik.AberderSensorkannbeideMaterialienkennen.DeshalbkanndieserVersuchdiemaximaleFrequenznichtmessen.5.Kolloquiumsschwerpunkte5.1WodurchsindSensorengekennzeichnet?Erkl?renSieindiesemZusammenhangdenBegriffInitiator.DieEigenschaftendesSensorssindSensitivit?t,Selektivit?tundStabilit?t.UnterInitiatorverstehtmandenN?herungsschalter.5.2Erl?uternSiedenAufbauundprinzipielleWirkungsweisekapazitiverSensoren.DiePrinzipwirdfrühererl?utertet.5.3Nennenunderl?uternSiedieBet?tigungsvariantenkapazitiverSensoren.DieGr??ederKapazit?tsvergr??erungh?ngtvondemAbstanddesGegenstandesvordemSensor,denAbmessungenundder?u?erenFormdesGegenstandes