Teil6 - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock
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Technische Anwendungen des Lasers<br />
Eigenschaften<br />
Gaußscher Laserstrahl<br />
Abbildung des Laserstrahls durch eine Linse<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Abstandsmessung mittels Triangulation
Messung der Lichtgeschwindigkeit<br />
Historisch gemessene Werte <strong>für</strong> die Lichtgeschwindigkeit c<br />
1676 Ole Rømer Zeitverzögerung bei astronomischen Beobachtungen 214.000<br />
1728 James Bradley Abberation 301.000<br />
ca. 1775 ? Venus-Transit 1769 ca. 285.000 (AE wurde erstmals genau bestimmt)<br />
1834 Charles Wheatstone Drehspiegelmethode 402.336<br />
1849 Armand H. L. Fizeau Zahnradmethode 315.000<br />
1862 Léon Foucault Drehspiegelmethode298.000 ± 500<br />
1875 Alfred Cornu Drehspiegelmethode299.990<br />
1879 Albert A. Michelson Drehspiegelmethode299.910 ± 50<br />
1907 E. Bennett Rosa, N. Dorsay theor. Rechnung nach den Maxwellgleichungen 299.788 ± 30<br />
1926 Albert A. Michelson Drehspiegelmethode 299.796 ± 4<br />
1947 Louis Essen, A. Gordon-Smith elektrischer Hohlraumresonator 299.792 ± 3<br />
1958 Keith Davy Froome Interferometer 299.792,5 ± 0,1<br />
1973 Boulder-Gruppe am NBS Lasermessung 299.792,4574 ± 0,001<br />
1983 (Definition der CGPM) Neudefinition des Meters 299.792,458 (exakt)<br />
Galileo Galilei versuchte um 1600 als Erster, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen, indem er zwei Männer<br />
mit Signallaternen auf zwei Hügeln in 100 m Entfernung postierte. Der zweite Mann sollte ein Signal zurückgeben,<br />
sobald er selbst eines empfängt. Da die Lichtlaufzeit jedoch deutlich niedriger liegt als die auftretenden Reaktionszeiten,<br />
war der Versuch von vornherein zum Scheitern verurteilt.<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
1ns = 30 cm
Venustransite Datum des<br />
mittleren TransitsZeit (UTC) Beginn Mitte Ende<br />
7. Dezember 1631 3:51 5:19 6:47<br />
4. Dezember 1639 14:57 18:25 21:54<br />
6. Juni 1761 2:02 5:19 8:37<br />
3. Juni 1769 19:15 22:25 1:35<br />
9. Dezember 1874 1:49 4:07 6:26<br />
6. Dezember 1882 13:57 17:06 20:15<br />
8. Juni 2004 5:13 8:20 11:26<br />
6. Juni 2012 22:09 1:29 4:49<br />
11. Dezember 2117 23:58 2:48 5:38<br />
8. Dezember 2125 13:15 16:01 18:48<br />
Johannes Kepler hatte erstmals einen Venusdurchgang vorausberechnet, jenen von 1631.<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Interferrometer<br />
Michelson Interferrometer Δl = m λ/2<br />
m – Anzahl der Maxima<br />
λ - Wellenlänge<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Homodyn – Mach – Zehnder –<br />
Interferrometer
Prinzipschema eines photothermischen Heterodynmeßsystems<br />
Erzeugung einer Thermowelle durch Einstrahlung<br />
von moduliertem Laserlicht<br />
- Wärmeleitfähigkeit, thermische Kontaktwiderstände<br />
- Dicke, stoffliche Zusammensetzung, Strukturdefekte<br />
- Mikrohärte, Ladungsträgerbeweglichkeit<br />
- Überwachung der Halbleiterfertigung<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Wirkungsweise eines Halbleiter Laser-Doppler-Anemometers (LDA) in Vorwärtsstreurichtung<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Signalentstehung anhand des Interferenzstreifen-Modells<br />
Rainer Jaskulke
Aufbau einer Bragg-Zelle<br />
Frequenzvorverschiebung<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
f Rainer Jaskulke<br />
S = f 1 –f 2 f E = f S –V x sinΘ/2 / λ 0
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Zweibeleuchtungsstrahl-<br />
Zweistreustrahl-Verfahren
Transilluminationsverfahren<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Strahlungssensoren<br />
Größe SI-Einheit Beschreibung fotometrische<br />
Entsprechung<br />
Strahlungsmenge J Die Energie einer Anzahl von Photonen Lichtmenge<br />
Strahlungsfluss P W Strahlungsmenge pro Zeit Lichtstrom<br />
Strahlstärke I W/sr Strahlungsfluss pro Raumwinkel Lichtstärke<br />
Bestrahlungsstärke E W/m² Strahlungsfluss pro projizierte Fläche Beleuchtungsstärke<br />
Strahldichte L W/m²/sr Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro projizierte Fläche Leuchtdichte<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Erläuterung des Lambertschen Strahlers<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Spektrale spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers
Empfänger: - thermische Detektoren, Strahlungsleist. - Thermoelement, Thermosäule (thermoelektrischer Effekt<br />
- Metall-, Halbleiter-, Supraleitungsbolometer (thermoresistiver Effekt)<br />
- Golay-Detektor (thermopneumatischer Effekt)<br />
- Quantendetektoren, Photonen, f(λ) - äußerer lichtelektrischer Effekt (Photomultiplier)<br />
- innerer lichtelektrischer Effekt (Photodiode)<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Bestrahlungsstärke am Messgerät<br />
Strahlungsfluss<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
λ = const.<br />
T 0 = reale Temperatur des Messobjektes<br />
mit ε = 0,6<br />
Graphischer Verlauf der Skalenfunktion<br />
Eines Spektralband-Pyrometers<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Blockschaltbild eines Temperaturmessgerätes<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Gegenüberstellung von Flammenspektrum, Filtercharakteristiken,<br />
Sonneneinstrahlung, Durchlässigkeit von Glas und Strahlung heißer Körper<br />
Blockschema eines Flammenmelders mit zwei pyroelektrischen Sensoren<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
IR - Bewegungsmelder<br />
Fresnellinse<br />
Fresnellinse mit mehreren Sektoren<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Schaltung <strong>für</strong> Bewegungsmelder
Bereiche elektromagnetischer Strahlung<br />
Strahlungs – Sensoren<br />
Pflanze Quantum – Sensor 400-700 nm Vergleich der photosythetischen Leistungsgrade von Lichtquellen<br />
Anordnung der Beleuchtung in Treibhäusern<br />
Vorhersage des Pflanzenwachstums, PAR – Spezial - Sensor<br />
Sonne Pyranometer – Sensor Meteorologie, Ökologie<br />
Mensch Photometrischer Lichtsensor Ermittlung der Lichtverhältnisse beim Entwurf von Gebäuden<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Messung Rainer Jaskulke der Lichtstärke im Bereich menschlicher Aktivität
Ionisierende Strahlung direkt Elektronen, Protonen, Ionen<br />
indirekt Photonen, Neutronen<br />
Radioaktivität – 1896 durch Henry Becquerel an Uranmineralien gefunden<br />
Luft wird wie bei Röntgenstrahlung ionisiert<br />
( zufällig Photoplatten geschwärzt)<br />
Atomkern stabil, wenn Zahl der Bausteine - Protonen und Neutronen – nicht zu groß wird.<br />
Protonen/Neutronen > 1,5 – Atomkern instabil – Emission von Teilchen und Energie<br />
Alpha-Strahlung:<br />
Beta-Strahlung:<br />
Gamma-Strahlung:<br />
Heliumkerne (2 Protonen+2 Neutronen)<br />
Reichweite in Luft wenige cm, im Gewebe< 0,1 mm<br />
Elektron (Neutron wandelt sich in ein Proton und ein Elektron)<br />
Reichweite einige m in Luft, im Gewebe einige mm<br />
Wellenstrahlung<br />
Angabe Reichweite nicht möglich<br />
Kosmische Strahlung – Raumfahrt, Flugverkehr Intensität = f (Höhe)<br />
Hamburg 0,3 mSv/a, Großglockner 1,8 mSv/a<br />
Terrestrische Strahlung - größer auf der Erde, Schwarzwald 1,4 mSv/a<br />
Zivilisatorische Quellen - Medizin ca. 1,5 mSv/a durch Diagnostik<br />
Baustoffe und Gebrauchsgegenstände 0,02 mSv/a<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Kernkraftwerke nach Rainer Tschernobyl Jaskulke 0,05 mSv/a
Dosisbegriff beschreibt die Schwere der Strahleneinwirkung auf den menschlichen Körper<br />
Ionendosis<br />
Energiedosis<br />
- Strahlenwirkung auf Luft, veraltet<br />
1 Röntgen erzeugt 2,08 x 10 9 Ionenpaare/ cm 3 Luft<br />
- berücksichtigt die Menge der im Gewebe deponierten Energie<br />
Energie/Masse, 1 J/kg = 1 Gy (Gray) = 100 rd(Rad)<br />
Äquivalentdosis<br />
- berücksichtigt die biologisch relevanten Vorgänge der Strahleneinwirkung<br />
Aquivalentdosis = Energiedosis x Q, Q = 1 <strong>für</strong> Beta- und Gamma<br />
Q = 20 <strong>für</strong> Alpha<br />
veraltet rem, 1 Sv(Sievert) = 100 rem<br />
1 Röntgen ~ 1 rd = 1 rem = 0,01 Sv<br />
Effektive Dosis<br />
- erst über 200 mSv können statistisch signifikante Aussagen <strong>für</strong><br />
Krebsmortalitätsrisiko gemacht werden<br />
Effektive Dosis berücksicht unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit einzelner Organe und Gewebe<br />
Strahlungsdetektoren Ionisationsdetektoren Ionisationskammern Stromkammern<br />
Integrationskammern<br />
Impulskammern<br />
Proportionalzählrohre Fensterzählrohr<br />
Gasdurchflusszähler<br />
Neutronenzähler<br />
Auslösezählrohr ( Geiger – Müller )<br />
Halbleiterdetektoren Oberflächensperrschichtdetektoren (pn – Struktur)<br />
Lithiumdriftdetektoren (pin – Struktur)<br />
Anregungsdetektoren Szintillationszähler<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Cerenkov Rainer – Zähler Jaskulke<br />
Thermolumineszensdetektoren (Speicherphosphore)
Geiger - Müller<br />
Anzahl der gesammelten Ionenpaare bei Vorlesung einem Sensorsysteme zylindrischen <strong>für</strong> allgemeine Gasionisationsdetektor<br />
Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
als Funktion der angelegten Spannung
Szintillationszähler<br />
weitere Strahlungssensoren:<br />
- photographische Emulsionen<br />
S = lg !/T - Schwärzung<br />
- Festkörperspurdetektoren<br />
- chemische Detektoren<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
Thermilumineszens – Glowkurven und Ausheizzyklus <strong>für</strong> Thermolumineszensdetektoren
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