Lehrinhalte IFMT Institut für Feinwerktechnik und Mikrotechnik Berlin


	Lehr- und Lernprojekt „Die Eule“ Messtechnik und Sensorik Die von Menschen kontrollierten Vorgänge in der Naturwissenschaft und der Technik nutzen Messverfahren, um den Verlauf von Prozessgrößen zu überwachen und zu dokumentieren. Wir entwickelten daher für den Bachelorstudiengang Maschinenbau an der TU Berlin die Veranstaltung Messtechnik und Sensorik, um den Studierenden ein solides Grundlagenwissen der Messtechnik / Sensorik zu vermitteln, dies durch praxisrelevante Übungen mit modernem Equipment zu festigen und die Basis für eine lebenslange Weiterbildung zu schaffen. Durch die Kopplung mit der Vorlesung „Messtechnik und Sensorik“ erlangen die Studierenden in den Übungen praxisgerechte Kenntnisse neuester Messprinzipien und Messmethoden, testen die Robustheit verschiedener Messverfahren und vergleichen das Preis-, Leistungsverhältnis kommerziell verfügbarer Messgeräte. Schwerpunkte bilden elektrische und sensorische Verfahren zur Quantifizierung von nichtelektrischen und elektrischen Größen sowie die modular aufgebaute Signalkette zur digitalen Messwertverarbeitung. Bei der Entwicklung der Lernmodule beteiligten sich alle Mitarbeiter des Fachgebiets mit großer Begeisterung. Es entstanden völlig neue Übungseinheiten, bei denen sowohl die Wandlung physikalischer Größen in elektrische Signale als auch die Einbindung der Messverfahren, z. B. in die Fertigungs- oder Automatisierungstechnik im Vordergrund stehen. Die Module werden von Professor Lehr und den Assistenten des Fachgebiets auf ihre technische Relevanz, Vollständigkeit und Tiefe der Wissensvermittlung ständig überprüft und optimiert. Das vorliegende Lehrangebot in der Messtechnik und Sensorik geht damit weit über kommerziell verfügbare Module hinaus. Diese Lehrveranstaltung wurde vom Präsidium der TU Berlin mit dem Prädikat "sehr erfolgreich" geehrt. ---- Hier das gesamte Spektrum der völlig neu konzipierten und selbst entwickelten Übungseinheiten: - Bedienung der Messgeräte, Messstatistik, Messung von Widerständen Die einführende Übung in die Messtechnik vermittelt Know-how über die eingesetzten Geräte: Frequenzgenerator, Laborschaltnetzteil, Digital-Multimeter und Oszilloskop. Es werden Widerstände vermessen, eine Mess-Statistik ausgewertet und Grundlagen der Fast-Fourier-Transformation erläutert. Kenntnisse über die verwendeten Geräte und Methoden gelten in den Entwicklungsabteilungen als selbstverständlich. Florian Bühs demonstriert die Vielfalt der messtechnischen Möglichkeiten ---- Weg- und Winkelmessung mit resistiven Aufnehmern Die Übung führt in die Messung von Winkeln und Längen mit Hilfe von variablen Widerständen (Potentiometer) und unterschiedlichen Schaltungsvarianten zur Auswertung wegabhängiger Widerstandswerte ein. Im praktischen Teil werden Potentiometer als Spannungsteiler und als Abgleichelement einer Messbrücke eingesetzt, wobei sich der Weg, bzw. der Winkel durch Messung der Ausgangsspannung sehr präzise ermitteln lässt. Potentiometer- und Brückenschaltungen werden im Maschinenbau und im allgemeinen Industriebereich genutzt. Marcus Schulz zeigt, wie man Winkel mit resistiven Aufnehmern bestimmt ---- Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen Die Übung vermittelt Grundlagen zur Messung mit Dehnungsmessstreifen (DMS) und zeigt Schaltungsvarianten zur Steigerung der Messempfindlichkeit. Anhand eines Biegebalkens wird die Verwendung der Dehnungsmessstreifen zur Kraftmessung verdeutlicht. Im praktischen Teil wird an belasteten Biegebalken die Dehnung vermessen. Die Resultate zeigen die Vor- und Nachteile der einzelnen Messtechniken. Der Einsatz von DMS erfolgt in allen Bereichen der Technik: Bestimmung von Kraft, Drehmoment, zur Spannungsanalyse und zur Überlastüberwachung. Jens Prochnau testet Brückenschaltungen für Dehnungsmessstreifen ---- Temperaturmessung Die Temperatur ist eine der wichtigsten Messgrößen im Bereich der Technik, so dass sich eine Vielzahl von Messverfahren im Einsatz befinden. Die Übung gibt zunächst einen umfassenden Überblick zu den wesentlichen physikalischen Prinzipien. Im experimentellen Teil bestimmen die Studierenden den Temperaturgradienten eines zunächst einseitig erwärmten Messingblechs, das anschließend auf der anderen Seite gekühlt wird. Die Messung wird mit Thermoelementen, einem Pt100-Widerstandsthermometer und mit einem Infrarot-Strahlungsthermometer durchgeführt. Temperaturaufnehmer lassen sich zur Temperaturüberwachung von Prozessen in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie einsetzen. Strahlungsthermometer kommen z. B bei Wartungs- und Prüfarbeiten in der Flugzeug- und Stahlindustrie zum Einsatz. René Péau kontrolliert die Temperatur an der Vergleichsstelle ---- Wechselspannungsmesstechnik, kapazitive Abstandsmessung Aufbau von Grundschaltungen (Hoch- und Tiefpass, Schwingkreis) der Wechselspannungs-messtechnik mit Kapazitäten und Induktivitäten. Im praktischen Teil wird das Verhalten eines Hochpasses mittels Bode- Diagramm untersucht. Anhand der Resonanzkurve eines Serienschwingkreises lässt sich demonstrieren, welche Messempfindlichkeit in der Nähe der Resonanz erreichbar ist. Als Beispiel für kapazitive Messprinzipien wird die Abstandsmessung vorgestellt und mit einem Sensor auf einer Linearführung vermessen. Anwendungsgebiete: Weg- und Abstandsmessung, Verbesserung der Messempfindlichkeit durch Hoch-, Tiefpass und Filterkreise. René Péau führt die Übung zur Vermessung von Blind- und Scheinwiderständen vor ---- Magnetfeldvermessung am C-Magneten mit Hall-Sensoren Die Lehrveranstaltung beschäftigt sich mit elektromagnetischen Kreisen. Anhand von Magnetfeldmessungen am C-Magneten ergibt sich der Beitrag des Werkstoffs zur magnetischen Induktion im Luftspalt, wobei Begriffe wie Sättigung, Remanenz und Koerzitivfeldstärke deutlich werden. Durch Variation des Luftspalts und des Stroms lässt sich die magnetische Induktion B einstellen. Die resultierende Feldverteilung wird mittels Hallsensor vermessen. Die Magnetfeldmesstechnik wird zur Abstands-, Drehzahl-, Strommessung sowie zur Bestimmung der Feldrichtung in Motoren und Schaltern eingesetzt. Eugen Olenew und Walter Vogel vermessen Magnetfelder am C-Magneten ---- Induktive Weg- und Abstandsmessung Induktive Verfahren ermöglichen eine genaue Messung großer Wege und Abstände. Anhand des induktiven Messprinzips wird der Einfluss verschiedener Kernmaterialien auf die Induktivität einer Spule veranschaulicht. Experimenteller Teil: induktive Wegmessung mit einer Differentialdrossel in einer Brückenschaltung. Als weiteres Verfahren zur Abstandsmessung wird das Wirbelstromprinzip in einem Demonstrationsversuch verdeutlicht. Induktive Verfahren kommen bei der Vermessung von Schichtdicken, bei Metalldetektoren, zur Minensuche und bei der Qualitätskontrolle (Rissprüfung) zum Einsatz. Tino Schmidt präsentiert die Abstandsmessung mit der Differentialdrossel ---- Magnetische Wegmesssysteme Magnetische Wegmesssysteme sind weit verbreitet, da sie preisgünstig, robust und einfach zu handhaben sind. Sie nutzen hochempfindliche Magnetsensoren, die auf dem GMR-Effekt beruhen, wofür Peter Grünberg 2007 den Nobelpreis erhielt. In der Übung werden magnetoresistive Sensoren eingesetzt, verschiedene Bauarten vorgestellt, das Prinzip der inkrementellen, magnetischen Wegmessung erläutert und im praktischen Teil der Übung anhand von zwei Versuchen veranschaulicht. Mit zwei Sensoren lässt sich die Bewegungsrichtung erkennen. Die Einsatzgebiete betreffen die Wegmessung in schmutziger Umgebung (z.B. Aufzüge) sowie Präzisionsmesseinrichtungen für Werkzeugmaschinen aller Art. Walter Vogel und Eugen Olenew erläutern das Prinzip der magnetischen Wegmessung ---- Digitale Frequenzmessung Digitale Schaltungen gewinnen in der Messtechnik an Bedeutung. Ihre Störsicherheit in rauer Umgebung, der modulare Aufbau sowie die Kompatibilität zur Rechnerperipherie prädestinieren sie für umfangreiche Aufgaben. Anhand einfacher Aufbauten gilt es, sich mit dem Prinzip der digitalen Frequenzmessung vertraut zu machen und die Technik der Signaldetektierung bei der Drehzahlmessung mit einem Hall-Sensor bzw. einer Induktionsspule kennen zu lernen. Die digitale Drehzahl- und Frequenzmessung kommt an rotierenden Maschinen zum Einsatz und nimmt in der Niederfrequenz- und Hochfrequenzmesstechnik eine dominierende Stellung ein. Abgleich der Amplituden für die Drehzahlmessung durch Dmitrij Demjanenko ---- Codierung in der Messtechnik, sequentielle Messdatenübertragung Maßstäbe lassen sich über eine Reihe von Techniken auslesen. Hierzu zählen optische, magnetische, induktive und auch mechanische Abtastsysteme, deren Maßverkörperung binär gestaltet ist. Eine weitere Verfeinerung stellt der Gray-Code dar. In der Übung werden Grundlagen der Codierung vermittelt, das Prinzip der seriellen Messdatenübertragung mit der Multiplexer- bzw. Schieberegister-Schaltung vorgestellt und an experimentellen Aufbauten demonstriert. Technische Anwendungen von Codier- und Decodierschaltungen sind beispielsweise bei der Absolutmessung von Strecken zu finden, während serielle Übertragungstechniken die sichere Übertragung von Messdaten gewährleisten und die Vielfalt von Leitungen erheblich reduzieren. Dmitrij Demjanenko erläutert die Messung von Drehwinkeln mit einer Gray-Code Scheibe ---- Kapazitive und piezoelektrische Beschleunigungsmessung Die Übung beschäftigt sich mit Verfahren zur Beschleunigungsmessung und Schwingungsanalyse. Für die Aufnahme quasistatischer Beschleunigungen wird eine kapazitive Technik eingesetzt, wohingegen die Messung höherfrequenter Schwingungen mit einem piezoelektrischem Sensor erfolgt. Als Messobjekt dient in beiden Fällen ein mit einem Frequenzgenerator angesteuerter Lautsprecher. Die Datenanalyse erfolgt mit einem Oszilloskop durch Auswertung der Messdaten im Zeit- und Frequenzbereich. Betrachtungen der Grenzfrequenz der beiden Sensoren ermöglichen die Einschätzung von Sensorapplikationen im Bereich der Technik. Kapazitive Beschleunigungssensoren kommen vor allem als GPS-Ersatz zur Trägheitsnavigation und zur Messung niederfreuenter Schwingungen im Auto zum Einsatz. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren überwachen den Zustand von Maschinen, zeigen Verschleiß an und verhindern dadurch größere Unfälle. Daniel Brüggemann präsentiert einen elektrodynamischen Schwingungserzeuger für die Erprobung von Sensoren ---- Inkrementelle optische Wegmessung mit Richtungserkennung Optische Inkrementalgeber sind in vielen Bereichen der Technik im Einsatz, da sie prinzipiell eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen, wenn die Lichtquelle, der Lichtempfänger, das Blendensystem sowie die elektronische Pulsverarbeitung geeignet aufeinander abgestimmt sind. Die Übung beschäftigt sich mit den zugrunde liegenden Messprinzipien und erläutert anschaulich den Messaufbau sowie die zugehörige elektronische Auswerteschaltung zur Erkennung der Richtung bei der Relativbewegung zweier Objekte. Anhand einem Vergleich von optischen und magnetischen Wegmesssystemen werden mögliche Einsatzgebiete in der Industrie diskutiert und beispielhaft vorgestellt, da optische Inkrementalgeber bei vergleichsweise geringem Aufwand ein Höchstmass an Messgeneuigkeit zur Bestimmung von Wegstrecken liefern. Eugen Olenew und Walter Vogel testen ihren selbst entwickelten optischen Inkrementalgeber ---- Optische Abstandsmessung: Lasertriangulation und konfokaler Sensor Die Übung beschäftigt sich mit Methoden der optischen Abstandsmessung, speziell mit der Analyse des grundsätzlichen Funktionsprinzips optischer Sensoren. Nach der Diskussion verschiedener optischer Verfahren werden anhand geeigneter Messaufbauten experimentell Stärken und Schwächen der Lasertriangulation und der konfokalen Technik untersucht. Neben diesen Verfahren wird auch das Reflexionsverhalten verschiedener Oberflächen geprüft. Die Lasertriangulation ist heute ein bevorzugtes Verfahren, da sie eine berührungslose Abstands- und Schwingungsmessung ermöglicht. Konfokale Verfahren werden bei der Qualitätskontrolle im Motorenbau sowie im Bereich der Mikrotechnik für die Messung von Oberflächenstrukturen eingesetzt. Mathias Winter zeigt Methoden der optischen Abstandsmessung ---- Interferometrie, Messung am Michelson-Morley Interferometer Die Interferometrie ist ein modernes optisches Messverfahren mit einem Auflösungsvermögen bis in den Nanometerbereich. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und hohen Genauigkeit wird sie in der Forschung und Industrie vielfach eingesetzt. Die Übung vermittelt anhand praktischer Versuche an einem Michelson-Morley-Interferometer die Grundlagen des Verfahrens. Neben der Längenmessung wird auch auf optische Eigenschaften und Besonderheiten wie die Kohärenzlänge eingegangen. Interferometrische Messverfahren werden bei der Weg- und Abstandsmessung an hochpräzisen Produkten sowie in der Halbleiter- und Mikrotechnik und der Oberflächenbearbeitung eingesetzt. Manisha Lakhani justiert das Michelson-Interferometer ---- Interferenz und Beugung Beugungsphänomene begrenzen die Auflösung optischer Instrumente. Diesem negativen Sachverhalt steht gegenüber, dass die Beugung an Gitterstrukturen heute in vielfacher Weise zur Erforschung der Struktur der Materie dient. Zwei grundlegende Experimente belegen in dieser Übung die Wellennatur des Lichts: Interferenz an dünnen Schichten sowie das Doppelspaltexperiment von Thomas Young. Robert Schulz weist die Wellennatur des Lichts mit dem Doppelspalt-Versuch nach ---- Automatisches Messsystem auf der Basis von LabVIEW Bei der experimentellen Bestimmung quantitativ erfaßbarer Größen sind häufig mehrere Messgeräte erforderlich mit denen die Untersuchung eines großen Parameterbereichs durchzuführen ist. Anstatt ermüdender und zeitraubender Messungen lässt sich mit LabVIEW ein automatisches Messsytem erstellen, das den Messvorgang in einfacher und effizienter Weise erledigt. Es werden zwei Demonstrationsversuche durchgeführt: die Bestimmung der Beschleunigung und die Aufprallkraft an einer schiefen Ebene sowie die messtechnische Erfassung des Einflusses einer Wirbelstrombremse auf die Schwingungen eines physikalischen Pendels. LabVIEW wird für automatisierte Messprozesse im Labor, im Messfeld sowie bei der Qualitätskontrolle eingesetzt. Jing Wang und Florian Bühs erklären automatische Messverfahren mit LabVIEW ---- So geht es vor Ort in den Übungen zu ... ... erst eine Einführung in die Theorie und Auffrischung der Vorlesungsinhalte ... ... dann selbst die Messgeräte einstellen und eigene Daten erzeugen ... ... Überprüfung und Diskussion der Ergebnisse ---- ---- Es folgt ein Auszug aus dem OWL-Antrag des Fachgebiets Mikrotechnik: Here comes the OWL Mittelzuweisung an das Fachgebiet Mikrotechnik aus dem TU-Programm: Offensive Wissen durch Lernen ---- OWL Der neu konzipierte Bachelorstudiengang Maschinenbau an der TU Berlin sieht die intensive Vermittlung naturwissenschaftlicher Lehrinhalte vor. Ziel ist es dabei, ein solides Grundlagenwissen der Elektrotechnik / Elektronik und Messtechnik / Sensorik aufzubauen, dies durch praxisrelevante Übungen zu festigen sowie die Befähigung zur lebenslangen Weiterbildung in diesen Bereichen zu schaffen. Zum Aufbau eines neuen Praktikums Messtechnik / Sensorik, in dem Studierende des Maschinenbaus moderne messtechnische Methoden vermittelt bekommen, erhält das Fachgebiet Mikrotechnik Mittel aus dem OWL-Programm der TU Berlin. Da die am Fachgebiet Mikrotechnik vorhandenen Praktikumsplätze und die Zahl der Geräte für die erhebliche Zahl von Studierenden (300 pro Semester in der Bachelorausbildung des Maschinenbaus) nicht ausreichen, sind Investitionen erforderlich, um neue Übungsplätze aufzubauen und diese mit modernem Equipment auszustatten. Attention please Nach der Studierendenbefragung wird die bisherige Ausbildung auf dem Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik als unbefriedigend empfunden. Als Gründe werden genannt: fehlende „hands-on“-Praxis in den Übungen / Praktika, mangelnde Vermittlung von Grundlagen, veraltete Übungs- und Lehrinhalte. Schließlich fehlt auch eine gründliche Ausbildung in der Messtechnik, deren Basis elektrotechnische / elektronische Inhalte bilden. Jedoch werden spätestens bei der Durchführung der Studien-, Projekt- und Diplomarbeiten die einschlägigen Fertigkeiten benötigt. Das dann zusätzlich notwendige aufwendige Selbststudium verschlingt wertvolle Zeit und verzögert den Studienabschluss. Please listen carefully Die Messtechnik war bisher nicht Bestandteil der Ausbildung im Grundstudium des Maschinenbaus. Diese Lücke wird im Bachelorstudiengang Maschinenbau der Fakultät V nun durch die Veranstaltung des Fachgebiets Mikrotechnik geschlossen. Eng gekoppelt an die zweistündige Vorlesung „Messtechnik und Sensorik“ erlangen die Studierenden in den begleitenden Übungen praxisgerechte Kenntnisse von Messprinzipien und Messmethoden. Anhand einfacher Demonstrationsversuche erarbeiten die Studierenden zunächst die physikalischen Prinzipien, die bei kommerziell erhältlichen Messwertaufnehmern oder -wandlern zur Erfassung der jeweiligen Größen dienen. Anhand verschiedener Messaufgaben mit vorkonfigurierten Geräten lässt sich dann ein praktischer Vergleich der unterschiedlichen Messverfahren und -techniken, z. B. zur Längen-, Kraft-, Drehmoment- oder Druckmessung durchführen. Ziel ist es, Fachkompetenz aufzubauen, um bei konkreten Messaufgaben aus der Vielzahl möglicher Lösungen eine problemgerechte Auswahl treffen zu können. Dabei gilt es, auch Begriffe zu klären und z. B. anhand von Beispielen den Aufbau sowie die für die Praxis relevanten Vor- und Nachteile kommerziell erhältlicher Produkte herauszuarbeiten. Außer der Betrachtung des Preis-/ Leistungsverhältnisses oder der Robustheit der möglichen Messprinzipien, liegt der Schwerpunkt auf dem Messen von nichtelektrischen und elektrischen Größen mit elektrischen Verfahren und der elektronischen Weiterverarbeitung der Signale. Diese Signalkette ist für den modularen Aufbau von Messanlagen sowie zur digitalen Messwertverarbeitung geeignet und wird heute überwiegend in der Produktion eingesetzt. Wesentlich ist dabei, praktisches Know-how anhand von modernem Messequipment aufzubauen. You get the complete look-through after these courses