Teil1 - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock
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Vorlesung : Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
1. Einführung<br />
- Literatur<br />
- Definition, Bestandteile des Sensors<br />
- Sensorauswahl<br />
2. Temperatursensoren<br />
- Meßprinzipien<br />
- thermoelektrische Sensoren<br />
- thermoresistive Sensoren<br />
- PTC-Widerstände<br />
- NTC-Widerstände<br />
- Anwendungen, Spirometer, integrierte und digitale Sensoren,<br />
- chemische Sensoren, faseroptisches Meßsystem<br />
- Fuzzy in der Temperatursensorik<br />
3. Drucksensoren<br />
- Maßeinheiten, Übersicht<br />
- Membransensoren<br />
- piezoresistive Sensoren, Beschaltung<br />
- induktive Druckmessung<br />
- kapazitive Druckmessung<br />
- piezoelektrische Sensoren<br />
- Quarzkristall - Resonatoren<br />
- Anwendungen, Blutdruckmeßgerät, Sphygmographen, Tonometer<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
4. Akustoelektronische Sensoren und Systeme<br />
- Physikalische Grundlagen der akustischen Wellen<br />
- Transmission und Reflektion an Grenzflächen, Kennimpedanz<br />
- Abhängigkeiten der Ausbreitungsgeschw. von akustischen Wellen<br />
- Erzeugung von Ultraschall, Wandlerprinzipien<br />
- Abstrahlcharakteristiken<br />
4.1 Abstandsmessung<br />
- Sendestufe, Empfangsverstärker<br />
- Reflexschranke, Einwegschranke<br />
- Anwendungsbeispiel Hochregallager<br />
- Berücksichtigung von Fehlerursachen<br />
4.2 Ultraschallgitteranordnungen<br />
4.3 Sonarschutz<br />
4.4 Akusto - gravimetrische Sensoren<br />
4.5 Akustische Strömungsmeßverfahren<br />
- Akustische Effekte in Fluiden<br />
- Laufzeitverfahren<br />
- Sing - around - Verfahren<br />
- Verfahren mit höherer Auflösung<br />
- Schallgeschwindigkeitskompensation<br />
- Totzeiten<br />
- Schwingeranregung und Triggerung<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
4.6 Akustische Durchflußmessung<br />
- Arten der Durchflußmessung<br />
- Schallstreckenanordnungen<br />
-Clamp-on-Meßsysteme<br />
- Anordnungen der Clamp - on - Technik<br />
- Durchflußmessung an Kanälen und Gerinnen<br />
5. Optoelektronische Sensoren und Systeme<br />
- Grundbegriffe<br />
- Sender, LED, Halbleiter - Laserdiode<br />
- Empfänger, Photowiderstand, Photokapazität, Photodiode, Fottransistor, Lateraleffektdiode<br />
- Epitaxie Photodiode<br />
- Differentialdioden<br />
-Si-Avalanche-Photodiode<br />
5.1 Technische Ausführungen optischer Sensoren<br />
- Optokoppler<br />
- Farbsensor<br />
- Identifikationssystem Leseeinheit und Codeträger<br />
- Inkrementale optische Sensoren<br />
- Absolutwertaufnehmer<br />
5.2 Faseroptische Sensoren<br />
- technischer und wissenschaftlicher Stand<br />
- Faseroptische Wegmessung<br />
-Temperatursensor<br />
- Füllstandsgrenzschalter<br />
-Kreisel<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
5.3 Reflexlichttaster, Rekflexlichtschranke, Durchlichtschranke<br />
- Signalverarbeitung in optischen Schaltern<br />
- Störeinflüsse<br />
- Funktionsreserve<br />
- Ausführungsformen<br />
5.4 CCD - Sensoren<br />
- Aufbau<br />
- Ein - und Ausgangsstufe<br />
- Kennwerte<br />
- Zeilensensor<br />
- Flächensensor<br />
- CCD - Kamera<br />
- Signalverarbeitung<br />
- Anwendungen<br />
5.5 Laser<br />
- Eigenschaften<br />
- Anwendungen, Justierungen, Abstand- und Dickenmessung, Entfernungsmessung, Interferrometer<br />
5.6 Optisch angeregte thermische Wellen<br />
5.7 Laser - Doppler - Strömungsmessung<br />
- Darstellung des Grundprinzips<br />
- Meßvolumen und Signalstruktur<br />
5.8 Medizinische Anwendungen des Lasers<br />
- Blutkörperchen Zählgeräte, Doppler- und Speckle-Methoden, Transilluminationsverfahren<br />
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Rainer Jaskulke
6. Strahlungssensoren<br />
6.1 Infrarottechnik<br />
- Schwarzer Strahler<br />
- Strahlungsempfänger, thermische Detektoren, Quantendetektoren, Photomultiplier<br />
6.2 Angewandte Infrarottechnik<br />
- Radiometer nach dem Vergleichsprinzip<br />
- Temperaturmeßgerät, Pyrometer<br />
- medizinische Anwendungen<br />
-IR-Flammenmelder<br />
- IR - Bewegungsmelder<br />
6.3 metereologische und ökologische Strahlungssensoren<br />
- Quantum - Sensor<br />
- Pyranometer - Sensor<br />
- Photometrischer Lichtsensor<br />
6.4 Messung ionisierender Strahlung<br />
- Definition<br />
- Nachweisprinzipien<br />
- Strahlungsdetektoren<br />
- Ionisationsdetektoren<br />
- Anregungsdetektoren<br />
- weitere Strahlungsdetektoren<br />
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Rainer Jaskulke
7. Hydrologische Sensoren<br />
7.1 Anwendungsbereiche, CTD-Sonde<br />
7.2 Elektrolytische Leitfähigkeit<br />
- Prinzipschaltungen<br />
- Temperaturkompensation<br />
- Anwendungen<br />
7.3 pH-Wert-Bestimmung<br />
- Meßketten-Kennlinien und -Kenngrößen<br />
- Kalibrierung<br />
- neue Entwicklungen<br />
7.4 Sauerstoff - Messung<br />
- Gassensor<br />
- Messung von gelöstem Sauerstoff<br />
- Clark - Sonde<br />
- Steilheit und Eichung<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
8. Induktive Sensoren<br />
- Differentialtransformator<br />
- Längsankeraufnehmer<br />
- Querankeraufnehmer<br />
- Wirbelstromaufnehmer<br />
- induktive Näherungsschalter<br />
- Schlitz- und Ringinitiatoren<br />
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Rainer Jaskulke
Jeder kennt die menschlichen Sinne "sehen, hören, riechen, schmecken und fühlen".<br />
Die Sensorik ist die Umsetzung dieser menschlichen Sinne in die Technik<br />
Sensor (von lat. sensus = Gefühl, Empfindung). Oberbegriff <strong>für</strong> Bezeichnungen wie Aufnehmer, Messwertaufnehmer,<br />
Messwertgeber, Signalgeber, Fühler, Geber, Initiator, Transmitter, Detektor, Zelle und Wandler.<br />
Ein Sensor ist ein Messwertaufnehmer, der zur Gewinnung von Informationen über Eigenschaften,<br />
Zustände oder Vorgänge dient. Er bildet hier<strong>für</strong> bedeutsame Eingangssignale auf geeignete,<br />
meist elektrische Ausgangssignale ab.<br />
Sensoren wandeln nichtelektrische Messgrößen wie Temperatur, Druck, akustische und optische Größen<br />
oder Schadstoffkonzentrationen in elektronisch auswertbare Größen wie elektrischer Strom oder Spannung.<br />
Intelligentes Sensor–Aktor System<br />
Beispiel Airbag:<br />
Sensor registriert die Messgröße "Beschleunigung des Autos" (Beschleunigungssensor)<br />
Intelligenz durch Mikroprozessoren mit entsprechender Software<br />
Aktor ist das Zünden einer kleinen Explosion, die den Airbag aufbläst und Leben retten kann.<br />
Aktor erhält die Information beispielsweise im Auto über sogenannte Daten-Bussysteme (CAN-Bus).<br />
Hochrechnungen gehen davon aus, dass in Deutschland insgesamt etwa 2000 Firmen in der Sensorbranche tätig sind.<br />
Diese beschäftigen ca. 200000-250000 Mitarbeiter, wobei etwa 13 Mrd. Euro erwirtschaftet werden.<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Sensorauswahl:<br />
Welche Art Temperaturfühler Sie benötigen, hängt von Ihrer Messaufgabe ab. Grundsätzlich<br />
stehen Thermoelemente, Widerstandssensoren (Pt100 und NTC) und Strahlungsthermometer (Infrarotsensoren) zur Auswahl.<br />
Als Faustformel gilt:<br />
Thermoelementfühler sind sehr schnell und haben einen großen Messbereich.<br />
Widerstandsfühler sind langsamer, aber genauer.<br />
NTC- Fühler sind schnell, genau, haben aber einen eingeschränkten Messbereich.<br />
Infrarotsensoren berühren das Messobjekt nicht, haben sehr kleine Zeitkonstanten,<br />
sind aber vom Emissionsgrad abhängig.<br />
Je größer der Messbereich, desto universeller die Einsatzmöglichkeiten.<br />
Auswahlkriterien:<br />
Den <strong>für</strong> Ihre Messaufgabe geeigneten Temperatursensor wählen Sie nach folgenden Kriterien aus:<br />
Messbereich<br />
Genauigkeit<br />
Ansprechzeit<br />
Beständigkeit<br />
Bauform<br />
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Rainer Jaskulke
Was ist Temperatur?<br />
Temperatur kann als Bewegung von Teilchen beschrieben werden.<br />
Die Bewegungsfreiheit der Atome in festen Materialien ist jedoch extrem eingeschränkt. Aus diesem Grund geht<br />
der feste Zustand eines Materials bei einer gewissen Temperatur in den flüssigen Zustand über. Wird das Material<br />
wieder abgekühlt, so kehrt es zuerst in den flüssigen und danach in den festen Zustand zurück. Unter gewissen<br />
Umständen können Materialien auch direkt vom Festen in den gasförmigen Zustand, und umgekehrt, übergehen.<br />
Dies nennt man dann sublimieren bzw. resublimieren.<br />
Fahrenheit:<br />
Die Fahrenheit-Skala ist an das menschliche<br />
Empfinden angepasst.<br />
Sie bezieht sich auf den ``Wohlfühlpunkt''.<br />
Umgerechnet wird wie folgt:<br />
°F = 9/5 * °C + 32 oder °F = 9/5 * (°K - 273,15) + 32<br />
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Kontaktthermometrie<br />
Strahlungsthermometrie<br />
- thermoelektrisch - div. Pyrometer bis 21000 °C<br />
- thermoresistiv - Thermopile (Thermosäule)<br />
- Metalle<br />
- PTC-Widerstand<br />
- NTC-Widerstand<br />
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Rainer Jaskulke
•Durchmesser 1 . . . 3 mm<br />
•Ansprechzeit 3 . . . 5 µs<br />
•Messung von Verbrennungsvorgängen in Motoren<br />
•Erfassung von Explosionsvorgängen<br />
•Analyse schneller Gasströmungen<br />
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Thermopile-Sensoren<br />
Anwendungsgebiete:<br />
berührungslose Temperaturmessung in Medizin und Industrie<br />
Astronomie, z.B. Messung der Sternentemperatur<br />
Analysetechnik, z.B. Gasanalyse<br />
Umwelttechnik<br />
Medizin<br />
Industriesensorik<br />
Personenerkennung (ähnlich PIR)<br />
Meteorologie, z.B. Wolkenmonitor<br />
Messung der Strahlungsleistung z.B. in der Lasertechnik<br />
Consumer Elektronik (Toaster, Mikrowelle, Haartrockner...)<br />
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Blockschaltbild Thermopile-Sensor<br />
Winkelabhängigkeit<br />
Transmissions-Kurve eines Standard-Filters<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
Pt100: Imax = (ΔT x Ke/R(T)) 1/2 Ke = 25mW/°C (Wasser)<br />
2mW/°C (Luft)<br />
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2-Leiterschaltung<br />
4-Leiterschaltung<br />
3-Leiterschaltung<br />
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Kennlinie eines Heißleiters (NTC) und deren<br />
Linearisierung mittels Paralellwiderstand<br />
Rp = Rm ( B – 2Tm ) / ( B + Tm )<br />
Linearisierungsschaltung<br />
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Spreading resistance Sensor<br />
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Sensoren in IC-Ausführung<br />
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Rainer Jaskulke
Figure 1. (Left) Suggested schematic of nanohybrid superstructures.<br />
(Right) Photoluminescent intensity variation of PEG-tethered Au and CdTe nanoparticles<br />
with temperature: a) temperature, b) photoluminescent intensity, and c) calculated photon-field<br />
enhancement factor of CdTe nanoparticles as a function of time.<br />
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Rainer Jaskulke
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Fuzzy in der Temperatursensorik
Schaltung zur Optimierung der Dynamik<br />
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Rainer Jaskulke
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Rainer Jaskulke<br />
Zinn-Fixpunkt
International Temperature Scale of 1990 (IST-90)<br />
t/°C = T/K - 273,15<br />
Bereich/K<br />
Eichmittel<br />
0,65 - 5,0 Dampfdruck-Temperatur Verhältnisse von 3He und 4He<br />
3,0 - 24,5561 Helium-Gas Thermometer<br />
13,8033 - 1234,93 Platin-Widerstand Thermometer<br />
1234,93 - Fixpunkte, Plancks Strahlungsgesetz<br />
Fixpunkt T90/K Substanz Zustand Wr(T90)<br />
1 3 -5 He V<br />
2 13,8033 e-H2 T 0,00119007<br />
3 bei 17 e-H2 V<br />
4 bei 20,3 e-H2 V<br />
5 24,5561 Ne T 0,00844974<br />
6 54,3584 O2 T 0,09171804<br />
7 83,8058 Ar T 0,21585975<br />
8 234,3156 Hg T 0,84414211<br />
9 273,16 H2O T 1<br />
10 302,9146 Ga M 1,11813889<br />
11 429,7485 In F 1,60980185<br />
12 505,078 Sn F 1,89279768<br />
13 692,677 Zn F 2,56891730<br />
14 933,473 Al F 3,37600860<br />
15 1234,93 Ag F 4,28642053<br />
16 1337,33 Au F<br />
17 1357,77 Cu F<br />
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke<br />
V-vapour pressure point; T-triple point; M-melting point; F-freezing point
Vorlesung Sensorsysteme <strong>für</strong> allgemeine Anwendungen<br />
Rainer Jaskulke
R/Ohm<br />
R(T)=Ro(1+AT+BT²)<br />
europ. Standard:<br />
amerik.. Standard:<br />
DIN IEC 751:<br />
berechneter Wert:<br />
A=0.00385 1/°C<br />
A=0.00392 1/°C<br />
A=0.00390802 1/°C<br />
A=0.0039865 1/°C<br />
Meßfehler in °K<br />
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Rainer Jaskulke
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