Wegaufnehmer

Wegaufnehmer sind Komponenten der Messtechnik zur Ermittlung der Position oder des Verschiebewegs eines Objekts. Sie verwandeln das Messergebnis in ein elektrisches Signal, das sich beispielsweise zur Prozesssteuerung verwenden lässt. Je nach Anwendungsbereich nutzen Wegaufnehmer unterschiedliche elektrische Sensorwerte wie Widerstand, Induktivität und Kapazität. Einige Varianten arbeiten mit Licht, Ultraschall oder Magnetfeldern. Gemeinsam ist allen Systemen neben der Messung auch die elektronische Signalumwandlung durch die integrierte Elektronik, im Allgemeinen aufgrund einer Änderung der Spannung, Frequenz, Phase oder Intensität des Signals.

Sie bestehen aus einem Potentiometer, einem elektrischen Bauteil mit variablem Widerstand. Das Widerstandselement ist üblicherweise ein langer, dünner Streifen aus leitfähigem Material, auf dem ein beweglicher Gleitkontakt entlangfährt. Dieser Schleifer ist über eine mechanische Vorrichtung wie eine geführte Schubstange mit dem zu messenden Objekt verbunden.

Wenn sich das Objekt bewegt, bewegt sich auch der Schleifer entlang des Widerstandselements. Dadurch ändert sich die Position des Schleifers relativ zum Widerstandselement, was wiederum den elektrischen Widerstand zwischen dem Schleifer und den Enden des Widerstandselements verändert. Da in der Regel eine konstante Spannung am Widerstandselement anliegt, lässt sich über die Spannungsdifferenz am Schleifer proportional die Position des Objekts ermitteln.

Ein potentiometrischer Wegaufnehmer ist aufgrund seiner Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in vielen Anwendungen zu finden. Allerdings ist solch ein linearer Wegaufnehmer aufgrund des physischen Kontakts zwischen dem Schleifer und dem Widerstandselement Verschleiß ausgesetzt, was seine Lebensdauer im Vergleich zu kontaktlosen Varianten begrenzen kann. Er eignet sich am besten für Anwendungen mit Objekten in linearer Bewegung, bei denen eine moderate Genauigkeit und ein begrenzter Messbereich in Kauf genommen werden kann.

Sie nutzen die die Veränderung der Kapazität zwischen zwei leitfähigen Objekten, wenn sich der Abstand oder die relative Position zwischen ihnen ändert. Ein kapazitiver Wegaufnehmer besteht typischerweise aus zwei Elektroden-Platten, die einen Kondensator bilden. Eine dieser Platten ist fest mit dem Sensor verbunden, die andere flexibel mit dem zu messenden Objekt.

Wenn sich die bewegliche Elektrode verschiebt, ändert sich der Abstand zwischen den beiden Platten, was eine Kapazitätsänderung des Kondensators zur Folge hat. Durch Messung dieser Änderung lässt die Verschiebung der beweglichen Platte und somit die Position oder der Weg des Objekts ermitteln. Die Beziehung zwischen der Kapazitätsänderung und der Verschiebung ist in der Regel direkt und linear, das vereinfacht die Interpretation und Kalibrierung.

Kapazitive Wegaufnehmer sind von der Empfindlichkeit und der Präzision her mit induktiven Systemen vergleichbar. Da es auch hier zu keiner mechanischen Kraftübertragung kommt, ist auch hier eine hohe Lebensdauer die Regel.

Statt Lichtstahlen verwenden Ultraschall-Wegaufnehmer Schallwellen im Ultraschallbereich – also in Frequenzen zwischen 20 Kilohertz und 1 Gigahertz –, um die Distanz zu einem Objekt oder dessen Bewegung zu messen. Der Sender verwendet im Allgemeinen einen piezoelektrischen Wandler, der elektrische Energie in mechanische Schwingungen umsetzt. Wenn die Ultraschallwellen auf ein Objekt treffen, werden sie reflektiert und zurück zum Sensor geleitet. Nach Aussendung der Wellen schaltet der Wandler vom Sende- in den Empfangsmodus um und wartet auf das Eintreffen der Reflexion. Die Distanz zum Objekt wird aus der Zeit berechnet, die vom Aussenden des Ultraschallimpulses bis zum Empfang des Echos vergeht. 

Diese Sensoren finden breite Anwendung in der Industrie, beispielsweise bei der Füllstandsmessung in Tanks, bei der Abstandsmessung in der Robotik oder in Parkassistenzsystemen in Fahrzeugen.