月: 2023年7月

Was ist eine Sicherungsmutter?

Eine Sicherungsmutter ist eine Mutter mit einer Funktion oder einem Mechanismus, der das Lösen verhindert.

Fest angezogene Muttern können sich aufgrund von Vibrationen, Stößen oder thermischer Ausdehnung lockern. Daher gibt es verschiedene Methoden, um das Lösen von Schrauben zu verhindern.

So gibt es zum Beispiel Doppelmuttern, bei denen zwei Muttern übereinander gestapelt werden, Feder- oder Zahnscheiben, die zwischen der Mutter und dem zu befestigenden Gegenstand eingefügt werden und Klebstoffe oder andere Materialien, die auf das Gewindeteil aufgetragen werden. Der Vorteil der Sicherungsmutter besteht dagegen darin, dass sie nur ein einziges Mutterteil benötigt, um ein Lösen zu verhindern, und dass sie leicht gegengesteuert und montiert werden kann.

Anwendungen von Sicherungsmuttern

Sicherungsmuttern werden dort eingesetzt, wo das Lösen von Schrauben und Muttern zu Schäden oder Unfällen führen kann. Beispiele hierfür sind Fahrzeuge, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Brücken und Gebäude. Bei den meisten dieser Produkte kommt es zu Schäden oder Unfällen, die durch das Abfallen loser Schrauben und Muttern verursacht werden.

Andere Anwendungen sind z. B. die Aufhängung von Schaukelketten auf Spielplätzen und Rahmenbefestigungen an Trainingsgeräten in Fitnessstudios.

Funktionsweise von Sicherungsmuttern

Beim Anziehen einer Schraube oder Mutter auf einem zu befestigenden Gegenstand wird eine Druckkraft (Quetschkraft) auf den zu befestigenden Gegenstand und eine Zugkraft auf den Schraubenschaft ausgeübt, die von dem zu befestigenden Gegenstand abgestoßen wird. Diese Zugkraft erzeugt eine Reibungskraft zwischen der Sitzfläche der Schraube/Mutter (die Fläche, die mit dem zu befestigenden Gegenstand in Berührung kommt) und dem zu befestigenden Gegenstand, wodurch die Schraube fixiert wird.

In diesem Zustand wirken die folgenden drei Reibungskräfte und beeinflussen sich gegenseitig:

• Reibungskraft zwischen dem Außengewinde und dem Innengewinde
• Reibungskraft zwischen dem zu befestigenden Gegenstand
• Reibungskraft zwischen dem Sitz der Schraube/Mutter und dem zu befestigenden Gegenstand

Wenn diese Reibungskraft aus irgendeinem Grund verloren geht, wird dies als Schraubenlockerung bezeichnet. Nachfolgend sind Beispiele aufgeführt:

• Die Reibungskraft wird durch Verformung oder Eindrücken der Sitzfläche der Schraube/Mutter oder der Oberfläche des zu befestigenden Gegenstands, die mit der Sitzfläche in Kontakt ist, verringert.
• Vibrationen verringern die Axialkraft, was wiederum die Reibungskraft zwischen Außen- und Innengewinde verringert.
• Die Reibungskraft wird durch das Eindringen von Öl oder anderen schmierenden Substanzen zwischen Außen- und Innengewinde verringert.

Arten von Sicherungsmuttern

Es gibt verschiedene Arten von Sicherungsmuttern je nach ihrer Form und der Methode, mit der ein Lösen verhindert werden soll. Da jede von ihnen ihre eigenen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten hat, werden je nach Ursache des Lockerungsvorgangs oft unterschiedliche Typen verwendet.

Weitere Informationen zu Sicherungsmuttern

1. Anwendung des Keilprinzips

Um das oben beschriebene Lösen der Schraube zu verhindern, wendet die Sicherungsmutter das Keilprinzip an.

Durch die Exzentrierung der Mittelachsen der beiden Mutternlöcher und das Anziehen der Muttern mit einer konischen, konkav-konvexen Passung zwischen ihnen wird durch das Keilprinzip eine große Reibungskraft auf den konischen Flächen der Muttern erzeugt, die das Lösen der Schraube erschwert. Ein Beispiel für ein Produkt ist die harte Sicherungsmutter, die wiederholt verwendet werden kann.

2. Erhöhte Reibungskraft mit der Schraube

An der Oberseite der Mutter ist ein Metallring mit Federeffekt angebracht, der das Außengewinde der Schraube berührt und die Reibungskraft erhöht, wodurch eine Anti-Lockerungs-Wirkung entsteht. Diese Muttern sind gemeinhin als Reibring-Sicherungsmuttern bekannt, Produktbeispiele werden als U-Muttern bezeichnet.

Reibring-Sicherungsmuttern haben eine ausgezeichnete Hitze- und Erdbebensicherheit. An der Oberseite der Mutter ist ein Nylonring angebracht, der beim Anziehen mit der Schraube in Kontakt kommt, wodurch die Reibungskraft in diesem Bereich erhöht wird und ein Anti-Lockerungs-Effekt entsteht.

Ein Beispiel für ein solches Produkt ist die Nyloneinsatz-Sicherungsmutter. Weitere Beispiele sind Flanschmuttern, die eine höhere Reibungskraft auf der Sitzfläche haben, um ein Lösen zu verhindern und gerillte Muttern, die durch einen Stift gesichert sind, der durch die Mutter und die Schraube geht, um ein Lösen zu verhindern.

Was ist ein Roboterkabel?

Roboterkabel sind Kabel, die zur Übertragung von Energie und Signalen an Roboterarme und Industrieroboter verwendet werden.

Im Vergleich zu Allzweckkabeln zeichnen sie sich durch eine extrem hohe Widerstandsfähigkeit gegen wiederholtes Biegen und Verdrehen aus. Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Produktkabeln, darunter Produkte, die hohe Stromstärken bewältigen können, Produkte mit kleinem Durchmesser und Produkte, die Strom- und Signalkabel in einem einzigen Kabel bündeln.

Anwendungen von Roboterkabeln

Roboterkabel werden u. a. als Verbindung zwischen der Robotersteuerung und dem Roboterarm (Manipulator) sowie im Inneren des Roboterarms verwendet. Roboterarme werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter in der Automobilindustrie, bei Präzisionsinstrumenten, Haushaltsgeräten und Maschinenteilen. Bei der Auswahl eines Produkts ist es notwendig, den Grad und die Anzahl der wiederholten Biegungen und Verdrehungen zu analysieren, die aufgrund der Bewegungen des zu verwendenden Roboters auftreten werden und ein Produkt zu kaufen, das diese Anforderungen erfüllt.

Darüber hinaus müssen Spezifikationen wie Größe (Durchmesser und Länge), Strom und Spannung, Signalübertragungsgeschwindigkeit und Störfestigkeit berücksichtigt werden.

Funktionsweise des Roboterkabels

Roboterkabel bestehen aus mehreren mit einer Isolierfolie ummantelten Leiterbündeln, die von einem Abschirmungsband und einer Außenfolie umgeben sind.

Die Komponenten eines vieradrigen Roboterkabels haben folgende Aufgaben:

• Leiter: Der Kupferdraht, der Strom und Signale überträgt.
• Isolator: Die Isolierschicht, die verhindert, dass der Strom, der im Leiter fließt, nach außen dringt.
• Abschirmungsband: Das Band, das die einzelnen Drähte miteinander verbindet.
• Abschirmung: Der Teil, der den Leiter vor äußeren Störungen schützt, d. h. ein Mantel aus Kupfer oder Aluminium.
• Außenmantel: Die äußere Beschichtung, die das Kabel vor Verletzungen und Öl schützt.

Das Roboterkabel ist an einem Ende mit der Robotersteuerung und am anderen Ende mit dem Bedienteil des Roboters verbunden. Der Roboter wird durch die Übertragung von Signalen und Strom von der Robotersteuerung zum Roboter betrieben.

Der Roboterarm wird bei seiner Bewegung häufig gebogen, was hohe Anforderungen an die Dauerfestigkeit und Abriebfestigkeit stellt. Zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit werden haltbare Materialien (z. B. PVC) und zur Erhöhung der Abriebfestigkeit Beschichtungen wie speziell behandeltes Vinyl oder Fluorpolymere verwendet.

Weitere Informationen zu Roboterkabeln

1. Normen für Roboterkabel

Die Normen für Roboterkabel sind von Land zu Land unterschiedlich und die Hersteller von Roboterkabeln halten sich an die Normen des jeweiligen Landes.
Im Folgenden finden Sie Beispiele für die Normen für Roboterkabel in verschiedenen Ländern.

Japan
PSE ist eine Norm, die dem Gesetz über elektrische Geräte und Materialsicherheit (PSE) entspricht, und JIS / JCS-Normen, die Sicherheitsmerkmale wie Drahtisolierung und Flammenbeständigkeit festlegen; JIS / JCS-Normen sind Normen, die auf die Standardisierung von Kabelprodukten abzielen.

China
Die Norm China Compulsory Certification (CCC) ist eine Zertifizierungsnorm für Sicherheit, EMV und Umweltschutz von Produkten, die in China verkauft werden. Diese CCC ist für Produkte, die in China verkauft werden sollen, obligatorisch.

EU
Die CE-Kennzeichnungsnorm ermöglicht den Verkauf von Produkten in insgesamt 31 Ländern (27 EU-Mitgliedstaaten und vier EFTA-Mitgliedstaaten).

Deutschland
Die TÜV-Zertifizierung (TÜV) ist ein Produktsicherheitsstandard, der vom TÜV Rheinland, einem privaten deutschen Unternehmen, festgelegt wurde.

USA
Die UL-Zertifizierung ist ein Produktsicherheitsstandard der Underwriters Laboratories Inc. Der Erwerb selbst ist freiwillig, aber da die meisten in den USA verkauften Produkte diese Zertifizierung erworben haben, ist sie praktisch obligatorisch.

Kanada
Die CSA-Zertifizierung ist eine von der Canadian Standard Assosiation festgelegte Produktnorm. Wie in den USA ist der Erwerb freiwillig, aber das Produkt darf nicht verkauft werden, wenn es nicht CSA-zertifiziert ist, was in den USA bedeutet, dass das Produkt die gleichen Prüfstandards wie die UL-Zertifizierung bestanden hat.

2. Maßnahmen gegen den Bruch von Roboterkabeln

Bei der Installation eines Roboters auf einer Roboterlaufachse, wie in der obigen Abbildung dargestellt, kann es vorkommen, dass sich das Kabel in den beweglichen Teilen der Laufachse verfängt und bricht.

Als Gegenmaßnahme werden zum Schutz der Roboterkabel Kabelförderer installiert. Kabelförderer sind eine Art Regal für die Lagerung von Roboterkabeln und Luftschläuchen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kabel und Schläuche zwischen der beweglichen Ausrüstung und dem stationären Ende gestützt und geführt werden und sich nicht in beweglichen Teilen verfangen können. Kabelbahnbögen sind so konstruiert, dass sie sich nur in eine Richtung mit einem festen Radius biegen.

Was ist ein Hypochloritwasser-Generator?

Hypochloritwasser ist eine wässrige Lösung, die hypochlorige Säure als gelösten Stoff enthält, die durch Elektrolyse von Sole oder Salzsäure gewonnen werden kann. Es hat sich als wirksam bei der Sterilisierung und Beseitigung einer Vielzahl von Bakterien und Viren erwiesen und bei sachgemäßer Verwendung und unter Beachtung der Vorsichtsmaßnahmen für den Gebrauch keine Gefahr für die menschliche Gesundheit besteht.

Hypochloritwasser als Lebensmittelzusatzstoff (Desinfektionsmittel) wird in Bezug auf den pH-Wert und die effektive Chlorkonzentration spezifiziert.

Hypochloritwasser als Lebensmittelzusatzstoff (Desinfektionsmittel)

	Elektrolyseur	pH	Effektive Chlorkonzentration（mg/kg)
Schwach saures, hypochloriges Wasser	1-Kammer-Typ	5.0-6.5	10-80
Schwach saures Hypochlorsäure-Wasser	2-Kammer/3-Kammer-Typ	2.8-5.0	10-60
Stark saures unterchloriges Wasser	2-Kammer/3-Kammer-Typ	2,7 oder weniger	20-60

Natriumhypochlorit ist der unterchlorigen Säure ähnlich. Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass sich die Form des Hypochlorsäuremoleküls in der wässrigen Lösung voneinander unterscheidet, was zu einer unterschiedlichen Desinfektionskraft führt. Natriumhypochlorit liegt in wässriger Lösung hauptsächlich in ionischer Form vor, während Hypochloritwasser in wässriger Lösung hauptsächlich in molekularer Form vorliegt.
Der molekularen Form der hypochlorigen Säure wird eine höhere Desinfektionskraft zugeschrieben als der ionischen Form, und bei gleicher effektiver Chlorkonzentration hat Hypochloritwasser eine höhere Desinfektionswirkung.

Natriumhypochlorit wird im Allgemeinen in relativ hohen Konzentrationen von 200 ppm oder mehr verwendet, um eine sterilisierende Wirkung zu erzielen. Dies hat bei der Handhabung von Lebensmitteln zu Problemen geführt, z. B. zu rauen Händen und zu Chlorgeruch, der an den Lebensmitteln haftet und Geschmack, Aroma und Konsistenz der Lebensmittel beeinträchtigt. Andererseits hat Hypochloritwasser den Vorteil, dass es weniger Auswirkungen auf Lebensmittel und Menschen hat, da es bei einer geringeren Konzentration eine sterilisierende Wirkung hat.

Ein Hypochloritwasser-Generator ist ein Gerät, das sofort Hypochloritwasser erzeugen kann. Mit einem Hypochloritwasser-Generator können Hygienekontrollen wie Sterilisation und Desodorierung sicher und kostengünstig durchgeführt werden, ohne dass ein großer Zeit- und Arbeitsaufwand erforderlich ist.
Hypochloritwasser-Generatoren gibt es in verschiedenen Größen, so dass die Auswahl der richtigen Größe für den jeweiligen Einsatzzweck ein effizientes Arbeiten ermöglicht.

Anwendungen von Hypochloritwasser-Generatoren

In diesem Abschnitt werden die Einsatzmöglichkeiten von Hypochloritwasser-Generatoren beschrieben.
Mit Hypochloritwasser-Generatoren kann sicheres Hypochloritwasser jederzeit sofort verwendet werden, genau wie Leitungswasser, ohne dass eine Verdünnung oder andere Arbeiten erforderlich sind.
Diese Hypochloritwasser-Generatoren ermöglichen ein effizientes Hygienemanagement und werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, wie z. B. in medizinischen und sozialen Einrichtungen, Bildungseinrichtungen, in der Landwirtschaft, in der Fischereiindustrie, in der Gastronomie und in der Lebensmittelverarbeitung.
In Lebensmittelverarbeitungsbetrieben und Restaurants wird Hypochloritwasser beispielsweise zur Sterilisierung von Kochutensilien und -einrichtungen sowie von verschiedenen Lebensmitteln verwendet, während es in medizinischen, sozialen und Bildungseinrichtungen zur Sterilisierung der Innenräume sowie zur Reinigung und Sterilisierung von Ausrüstung und Kleidung eingesetzt wird.

Hypochloritwasser ist ein Sterilisationswasser, das als Lebensmittelzusatzstoff ausgewiesen ist. In letzter Zeit werden jedoch auch Produkte als Hypochloritwasser-Generatoren vertrieben, die nicht in den Anwendungsbereich der Vorschriften für Lebensmittelzusatzstoffe (Sterilisationsmittel) fallen, und es ist darauf zu achten, dass für die Sterilisation von Lebensmitteln Produkte verwendet werden, die in den Anwendungsbereich der Vorschriften für Lebensmittelzusatzstoffe fallen.

Funktionsweise des Hypochloritwasser-Generators

Hypochloritwasser wird durch Elektrolyse von Sole oder verdünnter Salzsäure gewonnen. Stark saures hypochloriges Wasser und schwach saures hypochloriges Wasser werden durch Elektrolyse von Solewasser in einem Elektrolysebehälter mit einer Anode und einer Kathode, die durch eine Membran getrennt sind, hergestellt, wobei an der Anode hypochloriges Wasser entsteht
Schwach saures Hypochloritwasser hingegen wird durch Elektrolyse von verdünnter Salzsäure oder einer Mischung aus verdünnter Salzsäure und Salz in einem Elektrolysebehälter ohne Diaphragma hergestellt.

Was ist ein visuelles Inspektionssystem?

Visuelle Inspektionssysteme sind Geräte, die das Aussehen von Produkten überprüfen.

Sie können das Aussehen von Produkten prüfen, die in der Massenproduktion hergestellt werden. Durch die Einführung von Geräten kann die Produktivität gesteigert und der Produktpreis im Vergleich zur manuellen Prüfung einer großen Anzahl von Produktionsstücken gesenkt werden.

Visuelle Inspektionssysteme prüfen die Oberfläche der gefertigten Teile und Produkte auf Fremdkörper, Schmutz, Grate, Risse, Brüche und Späne und treffen sofortige Entscheidungen über ihr Aussehen. Zu den Verfahren der Sichtprüfung gehören die Kontrolle in der Fertigungsphase, nach der Oberflächenbehandlung und nach der Produktmontage.

Anwendungen von visuellen Inspektionssystemen

Visuelle Inspektionssysteme werden in vielen Produktionslinien eingesetzt. Zu den Branchen gehören Lebensmittelverpackungen und -flaschen, elektronische Geräte, medizinische Geräte und geformte Platten.

Sie können zum Beispiel Formunterschiede, Lagerrost, Korrosion und Dellen an elektronischen Bauteilen, Grate, Risse und Verformungen an Bolzen und Schrauben und sogar Verbrennungen, Dellen und Kratzer an Lebensmittelbehältern erkennen. In den letzten Jahren haben Verbesserungen in der Kamera- und Bildverarbeitungstechnologie es ermöglicht, selbst kleinste Fremdkörper, Kratzer und Defekte zu erkennen.

Es sind auch andere visuelle Inspektionssysteme erhältlich, die auf die Prüfung verschiedener Produkte spezialisiert sind.

Funktionsweise von visuellen Inspektionssystemen

Die meisten visuellen Inspektionssysteme arbeiten mit dem bildverarbeitenden Prüfverfahren. Sie besteht aus einem Bildsensor, z. B. einer Kamera, einem Bildprozessor und einer Software, die das Produkt durch Beleuchtung des Objekts beleuchtet und das Bild mit einem Objektiv zur Prüfung aufnimmt.

Bei der visuellen Inspektionsmethode werden die Bilder einer Reihe erfolgreicher Produkte im Voraus aufgenommen und die Schattierung jedes Pixels aufgezeichnet. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Dichteunterschieds, unterteilt in bestimmte Fächer, werden bestimmt, und der Wert und der zu prüfende Pixelwert werden für jedes Fach verglichen.

Weicht die Dichte erheblich von der des geprüften Produkts ab, wird dies als Fehler oder Fremdkörper gewertet, und die Abmessungskriterien für Fehler und Fremdkörper werden registriert, um festzustellen, ob das Produkt bestanden oder nicht bestanden wurde. In einigen Fällen wird eine Differenz- oder Projektionsverarbeitung eingesetzt, um falsch positive Ergebnisse zu vermeiden.

Bei der Prüfung von Objekten in Umfangsrichtung wird nach der Polarkoordinatentransformation ein Dichtevergleich durchgeführt, um eine Entscheidung zu treffen. Visuelle Inspektionssysteme arbeiten in der Regel schnell und ermöglichen eine vollständige Inspektion, aber die Kosten für die Einführung der Geräte sind relativ hoch. Außerdem muss die Software entsprechend der Form des Objekts und den Kriterien für die visuelle Prüfung optimiert werden, und es kann einige Zeit dauern, bis sie einsatzbereit ist.

Weitere Informationen über visuelle Inspektionssysteme

Funktionen von visuellen Inspektionssystemen

In den letzten Jahren geht der Trend dahin, visuelle Inspektionssysteme mit künstlicher Intelligenz (KI) zu kombinieren, um eine fortschrittlichere Sichtprüfung und Qualitätskontrolle zu erreichen. Künstliche Intelligenz nutzt maschinelles Lernen und Bildverarbeitungsalgorithmen, um große Datenmengen zu analysieren und daraus zu lernen. Dadurch kann eine Vielzahl von Funktionen realisiert werden.

1. Fehlererkennung
Künstliche Intelligenz kann anhand von erlernten Modellen anormale Muster und Defekte erkennen. Sie kann zum Beispiel Bilddaten von defekten Produkten lernen und auf dieser Grundlage das Aussehen des Produkts bestimmen und so Fehler mit höherer Genauigkeit erkennen.

2. Mustererkennung
Künstliche Intelligenz ist gut im Erkennen von komplexen Mustern und Formen. Die KI im visuellen Inspektionssystem lernt die Erscheinungsmuster des Produkts und vergleicht sie mit dem normalen Erscheinungsbild. Wird ein abnormales Muster oder eine abnormale Form erkannt, kann das Produkt als fehlerhaft eingestuft werden.

3. Automatisches Lernen und Verbesserung
Künstliche Intelligenz kann die von visuellen Inspektionssystemen erfassten Daten analysieren und automatisch lernen und verbessern. Durch die Rückmeldung von Fehlerdaten und Erkennungsergebnissen sowie die Aktualisierung von Modellen können Prüfgenauigkeit und Effizienz automatisch verbessert werden.

4. Unterstützung für die Produktion von Produkten mit hohem Mischungsverhältnis und geringen Stückzahlen
Herkömmliche visuelle Inspektionssysteme erfordern menschliche Arbeitskraft, um zwischen verschiedenen Produkttypen zu wechseln (Rüstungswechsel). Dies führt zu einem Effizienzverlust in der Produktion mit hohem Mischungsverhältnis und geringen Stückzahlen, wo häufige Umrüstungen erforderlich sind. Im Gegensatz dazu kann künstliche Intelligenz die Anzahl der Prüfeinstellungen minimieren, indem sie mehrere Produkttypen gleichzeitig lernt.

Visuelle Inspektionssysteme mit künstlicher Intelligenz ermöglichen schnellere und genauere Inspektionen und können kleinste Fehler und Muster erkennen, die dem menschlichen Auge oft entgehen.

Was ist ein Spektrometer?

Ein Spektrometer ist ein Gerät, das die Komponenten des Lichts trennt, um nur die Intensität des Lichts bei der interessierenden Wellenlänge aus einer Mischung von synthetischem Licht verschiedener Wellenlängen zu messen.

In letzter Zeit haben viele Spektrometer einen Detektor für das getrennte Licht integriert und der gesamte Prozess von der Lichttrennung bis zum Detektionsmechanismus wird manchmal als Spektroskopie bezeichnet.

Anwendungen von Spektrometern

Spektrometer werden in allen Industriezweigen und in der Forschung eingesetzt, da sie prinzipiell in der Lage sind, Lichtquellen in verschiedenen Wellenlängenbereichen (Quellen) zu spektroskopieren, sei es reflektiertes oder durchgelassenes Licht, von Radiowellen über Strahlung bis hin zum sichtbaren Licht.

In der analytischen Chemie werden sie zur Messung der Intensität des Sonnenlichts und der Plasmaemission sowie zur Bewertung optischer Eigenschaften wie des Reflexionsgrads von Materialien eingesetzt.

Sie werden auch oft unbewusst in Qualitätskontrolllinien eingebaut, die reflektiertes Licht oder andere beliebige Wellenlängen in Produktinspektionslinien mit Lichtquellen wie Lasern erfassen.

Funktionsweise der Spektrometer

Um eine Lichtquelle zu spektroskopieren, muss das Licht im Allgemeinen zunächst geformt werden.

Nach der Einstellung der Lichtauflösung, indem die Lichtquelle durch einen Spalt, den so genannten Spalt, geführt wird, wird die Lichtquelle durch einen Kollimator, der aus Linsen und Spiegeln besteht, kollimiert.

Für die Spektroskopie wird dieses kollimierte Licht in einen Spektrometer geleitet. Es gibt zwei Arten von Spektrometern: den Beugungsgittertyp, der das Beugungsphänomen des Lichts nutzt, und den Prismentyp, der das Brechungsphänomen des Lichts nutzt.

Beim Beugungsgittertyp erfolgt die Spektroskopie durch Reflexion des Lichts an Beugungsgittern, die in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche des Monochromators eingraviert sind, sodass die Wellenlänge und die Auflösung des zu erfassenden Lichts durch Veränderung des Beugungsmusters variiert werden können.

Beugungsgitter können vom Transmissions- oder Reflexionstyp sein. Wenn kollimiertes Licht aus einer Lichtquelle (weißes Licht), das Licht verschiedener Wellenlängen enthält, auf ein Beugungsgitter fällt, bilden sich mehrere Gitter, d. h. gitterartige Strukturteile (G1, G2 …). An den jeweiligen Positionen der Mehrfachgitter, d.h. der gitterartigen Strukturteile (G1, G2 …), erfolgt die Beugung des reflektierten Lichts in einer weiten Winkelrichtung. Dabei kommt es zur Interferenz des Lichts und es wird monochromatisches Licht in Richtung des Winkels (θ) emittiert, bei dem die optische Wegdifferenz (dsinθ) des von jedem Gitter ausgehenden reflektierten Lichts eine vorgegebene Bedingung (ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ) erfüllt, wobei nur eine bestimmte Wellenlänge λ verstärkt wird.

Auf diese Weise werden verschiedene Wellenlängen durch das Beugungsgitter unter verschiedenen Winkeln gestreut (in einem regenbogenartigen Muster getrennt).

Durch die Verwendung des Spaltes kann aus dem gestreuten reflektierten Licht nur monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge extrahiert werden. Dies ist das Prinzip eines Spektrometers mit Gitter. Durch Drehen des Gitters kann die Wellenlänge des zu extrahierenden Lichts verändert werden.

Auswahl eines geeigneten Spektrometers

Bei der Verwendung eines detektorintegrierten Spektrometers ist es notwendig, ein für die Wellenlänge der gemessenen Lichtquelle geeignetes Spektrometer auszuwählen.

Wenn die Lichtquelle beispielsweise im Bereich von Ultraviolett bis zum nahen Infrarot liegt, ist ein CCD-Detektor ausreichend, aber wenn Sie darüber hinausgehende Lichtquellen mit längeren Wellenlängen erfassen wollen, benötigen Sie einen Detektor vom Typ InGaAs.

Wie bereits im Messprinzip erwähnt, wird die detektierbare Wellenlänge durch das Beugungsmuster des Spektrometers bestimmt, sodass ein für die gewünschte Wellenlänge geeigneter Monochromator ausgewählt werden muss.

Prismenmonochromatoren haben eine Auflösung, die durch die Beschaffenheit des Prismas bestimmt wird, haben aber den Vorteil, dass es keinen Verlust an Lichtintensität gibt.

Verwendung eines Spektrometers

Die allgemeine Vorgehensweise bei der Verwendung eines Spektrometer-Analyseinstruments ist wie folgt:

1. Entscheiden Sie sich für die zu messende Substanz und den zu messenden Wellenlängenbereich.
2. Wählen Sie das Spektroskope aus, das der zu messenden Wellenlänge entspricht.
3. Bestrahlen Sie die Substanz mit einem Licht und spektralisieren Sie die gewünschte Wellenlänge.
4. Führen Sie das gewünschte Licht in den Sensor ein, um das Signal zu erfassen.
5. Das erhaltene Signal wird in ein Spektrum umgewandelt.

Wenn es sich um einen teuren Gegenstand handelt, der in einem Labor verwendet wird, erkennt ein Spektrometer, ein so genanntes Michelson-Interferometer, automatisch die Wellenlänge eines bestimmten Lichts. Kleinere, tragbare Geräte können die gewünschte Wellenlänge auch ermitteln, indem sie das durch das Material transmittierte oder reflektierte Licht durch ein austauschbares Spektroskop leiten.

Die erhaltenen Wellenlängen gelangen in den Sensor (Detektor) und werden als ein Signal für jede Wellenlänge erfasst. Dieses Signal wird in eine Wellenform, das so genannte Spektrum, umgewandelt, das dann analysiert werden kann, um den Zustand der Substanz zu bestimmen.

Beispiele für Experimente mit Spektroskopen

Je nach zu messender Wellenlänge, gibt es verschiedene  Experimente die mit Spektrometern durchgeführt werden können.

Im Folgenden sind Beispiele für Experimente in jedem Wellenlängenbereich aufgeführt, beginnend mit dem kurzwelligen Bereich.

1. Spektrometer ermitteln die Zusammensetzung einer Oberfläche, indem sie die Oberfläche eines Materials mit Röntgenstrahlen bestrahlen und das reflektierte Licht durch das Spektrometer leiten.
2. UV-/Sicht-Spektrometer ermitteln die Zusammensetzung des Objekts und die darin enthaltenen Mengen, indem sie Licht durch das Material leiten.
3. Infrarot-Spektrometer enthüllen die Struktur eines Stoffes, indem sie die Bindungen zwischen den Molekülen beleuchten.

Die gewonnenen Informationen hängen also vom Wellenlängenbereich des Spektrometers ab.

Mit Spektrometern gewonnene Spektren

Mit Hilfe eines Spektrometers werden Informationen über eine unbekannte oder bekannte Substanz gewonnen und analysiert, um den Zustand der Substanz zu bestimmen. Das aus dem Spektrometer gewonnene Spektrum ist das für diese Analyse verwendete Kurvendiagramm.

Nach der Definition der gewünschten Informationen ist es wichtig, ein geeignetes Spektrometer auszuwählen und das Spektrum zu erfassen.

1. Röntgenspektroskope identifizieren Atome anhand der Peaks der gemessenen charakteristischen Röntgenstrahlung.
2. UV/sichtbare Spektrometer erfassen die Energiedifferenz zwischen den Elektronen, die beim Durchgang von Licht durch die Probe angeregt werden, als Spektrum.
3. Infrarot-Spektrosmeter erfassen die Schwingungsenergie zwischen den Bindungen, die die Atome verbinden, als Spektrum.

Was ist ein piezoelektrisches Element?

1. Überblick über piezoelektrische Elemente

Piezoelektrische Elemente sind passive Elemente, die die piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effekte nutzen, die in dielektrischen Materialien wie Quarz und Quarz auftreten, um kleinste Bewegungen zu steuern und zu erkennen.

Sie haben eine einfache Struktur, die keine Getriebe oder Motoren für den Betrieb erfordert, und sind daher kleiner als andere Elemente von Mikro-Betätigungsmechanismen.

2. Anwendungen piezoelektrischer Elemente

Piezoelektrische Elemente werden hauptsächlich in Geräten verwendet, die Mikrobewegungen für industrielle Anwendungen erkennen und steuern.

Sie werden beispielsweise in Schwingungsmessgeräten verwendet, bei denen durch Schwingungen verursachte winzige Kraftänderungen dem piezoelektrischen Gerät als Druck zugeführt werden und die im piezoelektrischen Gerät unter Druck erzeugte Spannung als Ausgang verwendet wird, um einen Spannungswert zu erhalten, der als Stärke der Schwingung quantifiziert wird.

Sie werden auch als Antriebssysteme verwendet, die die Bewegung von Tischen in Geräten wie Mikroskopen und Interferometern begleiten, die präzise Bewegungen erfordern.

Piezoelektrische Komponenten in solchen Antriebssystemen werden als piezoelektrische Treiber oder piezoelektrische Aktoren bezeichnet, und auch Mehrschichtaktoren mit mehreren Schichten piezoelektrischer Elemente sind gängige Komponenten.

Bei diesen werden kleinste Bewegungen durch das Anlegen von winzigen Impulsströmen an die piezoelektrischen Geräte erreicht. Piezoelektrische Geräte eignen sich für Situationen, in denen eine hohe Reaktionsfähigkeit und eine präzise Bewegungssteuerung erforderlich sind.

3. Prinzipielle Funktionsweise piezoelektrischer Geräte

Piezoelektrische Keramiken werden hauptsächlich als Material für piezoelektrische Geräte verwendet, die im Inneren des Kristalls eine Polarität, eine elektrische Spannung, aufweisen.

Ein piezoelektrisches Element besteht aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode eingebettet ist.

Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden wird ein Druck auf den piezoelektrischen Körper ausgeübt, der sich entsprechend der Höhe der Spannung ausdehnt, zusammenzieht und verschiebt, und diese Verschiebung wird als Antriebskraft usw. genutzt. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Spannung zu erfassen, indem man einen Druck anlegt, der das piezoelektrische Gerät in die entgegengesetzte Richtung verformt.

Das Kristallgitter bleibt innerhalb des piezoelektrischen Körpers unter normalen Bedingungen elektrisch stabil, indem es Ionen aus der Atmosphäre aufnimmt. Wenn jedoch eine Spannung angelegt wird, wird das Gleichgewicht leicht gestört und die Polarität innerhalb des Kristalls ändert sich, wodurch sich das Kristallgitter selbst in einer Richtung ausdehnt und zusammenzieht, was die Verschiebung des piezoelektrischen Körpers darstellt.

Das piezoelektrische Element nutzt diese Polarität, um elektrische Energie effizient in Verformungsenergie für das Element umzuwandeln, und ist mit einem piezoelektrischen Körper aufgebaut, der zwischen Elektroden eingebettet ist.

Als Reaktion auf die zwischen den Elektroden angelegte Spannung wird Druck auf den piezoelektrischen Körper ausgeübt, wodurch dieser verformt wird.

Der piezoelektrische Körper kann auch Spannung erkennen, wenn Druck in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt wird.

Die Verformung des piezoelektrischen Materials liegt in diesem Fall bestenfalls im Bereich von einigen Mikrometern, was auf die Verformung durch die elektronische Polarität des Kristallgitters des piezoelektrischen Materials zurückzuführen ist.

Daher lassen sich im Allgemeinen nur Antriebsgrößen bis zu einigen Mikrometern ausdrücken, so dass mehrere piezoelektrische Geräte kombiniert und gestapelt werden müssen, um eine größere Antriebsgröße zu erreichen.

4. Auswahl piezoelektrischer Elemente

Je nachdem, ob es sich bei dem Material, in das das piezoelektrische Element eingebaut ist und betrieben wird, um eine Massenlast oder um eine elastische Last handelt, muss das entsprechend arbeitende piezoelektrische Element bestimmt werden.

Insbesondere beim Betrieb einer sich tatsächlich bewegenden Struktur, die über ein elastisches Element wie eine Feder gehalten wird, ist das piezoelektrische Element elastischen Belastungsbedingungen ausgesetzt, da die Elastizität der Feder beim Aufbringen der Last durch das piezoelektrische Element dazu führt, dass die vom piezoelektrischen Element ausgeübte Kraft zurückgedrückt wird, wodurch sich die Art der Kraftübertragung ändert.

Die Massenbelastung bezieht sich auf den Fall, dass die Kraft, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element auf das Antriebselement drückt, direkt auf das sich tatsächlich bewegende Bauteil übertragen wird, und eine konstante Kraft ab dem Zeitpunkt des Anlegens der Spannung an das piezoelektrische Element kontinuierlich angelegt wird.

Bei der oben beschriebenen elastischen Belastung hingegen wird die Kraft, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element auf das Antriebselement drückt, über ein elastisches Element, wie z. B. eine Feder, auf das sich tatsächlich bewegende Bauteil übertragen.

Ab dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, wird es gegen den Widerstand der Feder gedrückt, und die auf das Bauteil ausgeübte Kraft nimmt allmählich zu, bis sie eine konstante Kraft erreicht.

Wenn das piezoelektrische Element nur in der Lage ist, eine konstante Spannung zu liefern, wenn es durch ein elastisches Element wie eine Feder gedrückt wird, ist der Betrag der Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Hälfte des Vorgangs unterschiedlich.

Da das piezoelektrische Element einen festen Hub hat, der bewegt werden kann, ist es außerdem wichtig, ein piezoelektrisches Element mit einem Hub zu wählen, der die gewünschte Bewegung ausführen kann.

5. Materialien für piezoelektrische Elemente

Zu den Materialien mit piezoelektrischem Effekt gehören Materialien auf Keramik- und Folienbasis.

5-1. Piezoelektrische Keramiken
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
Dies ist die am weitesten verbreitete piezoelektrische Keramik, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Typische Produkte sind Summer, Schwingungssensoren und Aktuatoren.

5-2. Lithiumtantalat (LT)
Dies wird aufgrund seines Einkristalls und seiner guten Stabilität in elektronischen Geräten verwendet. Die häufigste Anwendung ist in elektronischen Geräten, den so genannten SAW-Filtern, die nur bestimmte Funkwellen durchlassen. Es ist weit verbreitet in Mobiltelefonen.

5-3. Piezoelektrische Folien
Polyvinylidenfluorid (PVDF)
Dies ist eine Kunstharzfolie mit piezoelektrischen Eigenschaften. Obwohl ihre Verdrängungskapazität nicht so hoch ist wie die von Keramik, kann sie billig hergestellt und in verschiedenen Formen verarbeitet werden, so dass sie in Haushaltsgeräten, wie z. B. Näherungssensoren in selbstfahrenden Staubsaugern und Berührungssensoren, breite Anwendung findet.

6. Beispiele für Produkte, in denen piezoelektrische Elemente verwendet werden

1. Piezoelektrische Elemente für Feuerzeuge
Piezoelektrische Elemente werden in den Zündungsteilen von elektronischen Feuerzeugen und Gasherden verwendet, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass sie bei einem Stoß eine Hochspannungsladung erzeugen.

Feuersteine (Zündsteine) verschleißen bei jedem Gebrauch, aber piezoelektrische Elemente, die in elektronischen Feuerzeugen verwendet werden, können semipermanent verwendet werden, solange sie nicht beschädigt werden, so dass sie sich auch für nachfüllbare Gasfeuerzeuge eignen.

2. Lautsprecher mit piezoelektrischen Elementen
Piezoelektrische Elemente werden auch als Klangkomponenten verwendet, indem man sich ihre Eigenschaft zunutze macht, sich bei Anlegen eines elektrischen Signals auszudehnen und zusammenzuziehen. Dünne Platten aus piezoelektrischer Keramik werden auf eine Metallplatte geschichtet, um durch Spreizschwingungen eine Schwingungsamplitude zu erhalten, die einen lauten Ton erzeugen kann.

Sie werden hauptsächlich für Benachrichtigungstöne in Haushaltsgeräten, Computertöne, elektronische Geräusche in Uhren, Rückfahrgeräusche in Fahrzeugkabinen und Klickgeräusche in Audiogeräten verwendet.

Einige High-End-Audiosysteme sind mit piezoelektrischen Lautsprechern als Hochtöner ausgestattet, die Töne um 20 kHz erzeugen, die für das menschliche Ohr kaum hörbar sind, und einige erzeugen den Effekt der Klangexpansion in der klassischen Musik, usw.

3. Piezoelektrische Aktoren
Piezoelektrische Elemente eignen sich auch als Aktoren (Antriebe) zum Schieben und Ziehen von Objekten, wobei sie ihre Fähigkeit nutzen, sich durch elektrische Signale auszudehnen und zusammenzuziehen.

Sie werden in der Antriebseinheit von Tintenstrahldruckern eingesetzt, um hochpräzise Tintenausstoßfunktionen und Dosierfunktionen zum Ausstoßen von Flüssigkeit zu realisieren.

Aktoren mit piezoelektrischen Elementen haben den Vorteil, dass sie kleiner sind als Aktoren mit elektromagnetischen Spulen. Da sie jedoch in Bezug auf die Schwingungsamplitude nicht so groß sind wie Spulenaktoren, werden sie nur in Anwendungen eingesetzt, in denen winzige, hochpräzise Antriebsamplituden erforderlich sind.