# Prüfungszusammenfassung PEMP Dozent: Prof. Peter P. Pott ## Energie: Energieerhaltungssatz ### Energieformen: * Mechanische Energie: Kinetische und potentielle Energie * Elektrische Energie * Thermische Energie * Chemische Energie ## Information Nachricht: Information im Zustand der Übertragung Signal: Physikalische Realisierung einer Nachricht In Blackbox: Verwendung von Information anstelle von Siganl ### Sensoren: Setzen physikalische Informationen ind elektrische Signale um. | | Wertkoninuierlich | Wertdiskret | | --- | --- | --- | | Zeitkontinuierlich | Analogsignal eines Mikrophons | Lagerbestäde | | Zeitdiskret | Abtastung eines EEG-Signals mit 100 Hz| Mikrophonsignal nach A/D-Wandler| ## Entwicklungsprozess Die Einflussmöglichkeit auf ein Produkt ist zu Beginn des Projektes am größten und nimmt in Lauf der Zeit ab, da getroffene Entscheidungen das Produkt bis zur Fertigung beeinflussen. Eine Konzentration von Finanzen und Personal auf erfolgsversprechende Entwicklungen wird so ermöglicht. ### Konzipieren Festlegen der Teilfunktionen durch _Abstraktion_ * Blackbox aufstellen * Mminimalstruktur aufstellen und variieren * Funktionsstruktur aufstellen und variieren * Hauptfunktion: lösungsneutrale Beschreibung der Aufgabe #### Vorgehen: * Unwesentliche Forderungen und Wünsche weglassen * Quantitative Aussagen die für die Hauptfunktion irrelevant sind in qualitativ umsetzen * Hauptfunktion beschreiben #### Blackbox Störgrößen | | | | | | | | | Systemgrenze _______x___x___x_______ Eingangsgrößen |............................|Ausgangsgrößen --------------------->|.......Hauptfunktion.......|--------> --------------------->|............................|--------> --------------------->|______x___x___x______|--------> | | | | | | | | | Evtl. Restriktionen ![Roth Symbols](roth_symbols.png) Darstellung der Ausgangsgrößen: * Stoff(ST): ..* z.b. Flüssigkeiten, starre Körper * Energie (E): ..* z.B. elektrisch, thermisch, mechanisch (translatorisch, rotatorisch, potentiell) * Signal/Nachricht: ..* z.B. elektrisch, optisch, akkustisch Die drei allgemeinen Größen können niemals direkt ineinander überwechseln, möglich ist allerdings, zwei Größen zu verknüpfen oder wieder aufzuspalten ### V-Modell: Ursprünglich aus der Softwareentwicklung Übertragung auf mechatronische Systeme Unterteilung der Produktentstehungsphase in: * Systementwurf * Komponentenentwurf * Systemintegration ### Wasserfallmodell: Lineares Entwicklungsmodell, Darstellung als Kaskade * Klären der Aufgabenstellung * Konzipieren * Entwerfen und Gestalten * Ausarbeiten * Inbetriebnehmen ![Wasserfallmodell](Entwicklungsprozess.png) ### Klärung der Aufgabenstellung: Ziel: Umfassende Dokumentation der Aufgabe, um: * Die Aufgabenstellung strukturiert und präzise darzustellen * Sämtliche Produktanforderungen möglichst quantitativ zu fixieren * Informationslücken zu erkennen * Informationen durch Analyse der Konkurrenz und des Stands der Technik zu beschaffen * Neue Mitarbeiter einfach einarbeiten zu können * Abnahmebedingungen zwischen Entwicklern und Auftraggebern bzw. Lieferanten festzulegen ### Lasten- und Pflichtenheft * Lastenheft: vom Kunden erstellt * Pflichtenheft: zwischen Auftragnehmeer und Kunden vereinbart * Anforderungsliste: umfassende und präzisiert Zusammenstellung aller Anforderungen und Bedingungen für die Produktentwicklung in formalisierter Form ## Umformen und Wnadeln von Information: Ein Messsystem konvertiert eine physikalische Größe in einen einfach zu interpretierenden quantitativen Wert Am häufigsten: Physikalische Größe -> Elektrischer Widerstand -> Spannung ### Bedienelemente: Es gibt mechanische und virtuelle Bedienelemente. Virtuelle Bedienelemente sind nur bei Bedarf sichtbar und flexibler. Mechanisch Elemente werden in Dreh und Geradebewegungen unterteilt: * Drücken: Drucktaste, Druckknopf (Monostabil, Bisatbil?) * Ziehen: Zugknopf, Zugring, Zuggriff, Ballengriff * Schieben: Schiebeknopf, Schiebegriff, Schiebewinkel * Drehen: Drehknopf, Drehscheibe, Handrad, Knebel, Kurbel * Schwenken: Hebeltaste, Schwenkhebel, Wippe, Pedal, Joystick ### Sensoren: ![Sensoraufbau](sensor_aufbau.png) ##Beispiel Kraftsensor: Die physikalische Größe „Kraft“ kann als solche nicht gemessen werden, sondern nur ihre Wirkung. Als Wirkung wird die Verformung eines Körpers gewählt, daher haben Kraftsensoren immer sog. Verformungskörper. Diese Verformung wird i.d.R. über die Dehnung des Verformungskörpers erfasst. Also wird die primäre Größe „Kraft“ in die sekundäre Größe „Verformung“ und dann in die Größe „Dehnung“ umgeformt. Mithilfe eines Dehnungsabhängigen Widerstandes („Dehnmessstreifen“) wird die Dehnung in einen veränderlichen Widerstand und dieser in der Messbrückenschaltung in eine Spannung gewandelt. Zweite Zeile Die Spannung wird aufbereitet (gefiltert) und mithilfe einer Treiberelektronik in ein standardisiertes Analogsignal umgewandelt. Dritte Zeile Das gefilterte Signal kann digitalisiert und erst dann übertragen werden. Dies wird manchmal als „Smart Sensor“ bezeichnet ### Komperator: Vergleich zweier Ausgangsspannungen. Wenn V+ > V- dann ist die Ausgangsspannung ~Vs+. Probleme gibt es dabei beim "Prellen", also dem Schließen eines Schalters. ![Beispiel Prellen](prellen.png) ### Schmitt-Trigger: Komperatorschaltung bei der die Schaltschwellen um eine Schalthysterese versetzt sind Hysterese wird durch eine Spule vor- und paralell zum Komperator erreicht ### Messverfahren: #### Präzision * Maß für die Qualität eines Messverfahrens * Ausmaß der Übereinstimmung von Messwerten durch wiederholte Messungen #### Genauigkeit * Maß für die Richtigkeit einer Messung * Gibt an, inwieweit das Messergebnis vom physikalisch absolut wahren Ergebnis abweicht #### Arithmetisches Mittel * Das arithmetische Mittel ist der umgangssprachliche „Durchschnitt“ * Anfällig gegenüber Ausreißern #### Median * Der Median teilt eine Liste von n Werten. Er ist entweder genau die mittlere Zahl (n ungerade) oder das arithmetische Mittel der zwei in der Mitte stehenden Werte (n gerade). Der Median charakterisiert eine Messreihe etwas robuster gegen Ausreißer als es der Mittelwert kann. ####Box- (and Whiskers-) Plot * Der Boxplot bietet sich an, um die Eigenschaften einer Messreihe umfangreich abzubilden. Um den Median wird ein Rechteck gezeichnet, dessen Enden an den Werten der Quartile stehen. Die Antennen enden entweder an den Maximal- und Minimalwerten (beinhalten also die Ausreißer) oder stehen im Extremfall am 1,5-fachen des Interquartilsabstands. #### Quartil * Quantile teilen Messwerte in Gruppen ein. Der Median steht an der Stelle, an der 50 % aller Werte kleiner und 50 % aller Werte größer sind. Die Quartile stehen dort, wo 25 % aller Werte kleiner bzw. größer sind. Der Interquartilsabstand (IQR) bezeichnet die Differenz zwischen oberen und unteren Quartil. ### Elektrotechnische Grundlagen: U = R*I #### 1. Kirchhoff‘sches Gesetz (KCL): Knotengleichung In einem Knotenpunkt eines elektrischen Netzwerkes ist die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme. #### 2. Kirchhoff‘sches Gesetz (KVL): Maschengleichung Alle Teilspannungen eines Umlaufs bzw. einer Masche in einem elektrischen Netzwerk addieren sich zu null. #### Maschinelle Sensoren in der Mechanik ##### Physikalische Wandlerprinzipien
|Eingangsgröße | Ausgangsgröße | | :--- | :---: | | Mechanisch| Gemometriabhängigkeit von R,L,C Induktion, Piezzoeffekte | | Thermisch| Temperaturabhängigkeit von R,l,C, Thermoelektrizität, Pyroelektrizität | | Elektrisch| Transformator, Transistor, Influenz | | Magnetisch| Hall-Sensor, Elektro-Magnetische Effekte | | Optisch|Photoeffekt, Optoelektronik |
| Eingangsgröße | Ausgangsgröße | |----------|:-------------:| | Mechanisch| Gemometriabhängigkeit von R,L,C Induktion, Piezzoeffekte | | Thermisch| Temperaturabhängigkeit von R,l,C, Thermoelektrizität, Pyroelektrizität | | Elektrisch| Transformator, Transistor, Influenz | | Magnetisch| Hall-Sensor, Elektro-Magnetische Effekte | | Optisch|Photoeffekt, Optoelektronik | ##### Positionssensorik * Potentiometer * Differentialtransformator (Magnetischer Sensor) * Kapazitive und Induktive Näherungsschalter (dedektiert nahes Dielektrikum oder nahes Metall) * Inkrementalgeber (Optisch) * Sonstige (Laufzeitmessung durch moduliertes Licht) ##### Kraftmessung ###### Piezoelektrische Sensoren: Geeignet für dynamische Vorgänge geeignet Keine Zug-Belastung -> Vorspannung z.B. durch Schraube ###### Dehnmessstreifen * Mechanische Belastung führt zu Dehnung -> Vergrößerung der Länge, Verringerung des Leiterquerschnitts -> Vergrößerung des Widerstands * Mäanderfömige Anordnung um Effekt zu vergrößern * Der sogenannte „k-Faktor“ beschreibt den Zusammenhang zwischen der Veränderung des Widerstands und der Dehnung: * $\delta$ * Standardmäßig werden trotz ihres geringen k-Faktors (k ca. 2) metallische DMS eingesetzt.