Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

physik.uni.kl.de

Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

I Sensoren & Aktoren

Vorlesung im Sommersemester 2004 in Zusammenarbeit der drei Fachbereiche Physik,

Elektrotechnik & Informationstechnik an der TU Kaiserslautern

Dozent:

Juniorprof. Dr. Axel Blau

Fachbereich Physik/Biophysik

Erwin-Schrödinger-Str. 46-332

Telefon:

E-Mail:

KIS:

Skripte:

205-4600

blau@physik.uni-kl.de

Informationsseite zu Sensoren & Aktoren

Lehrmaterial

Das vorliegende Skript basiert auf den Aufzeichnungen von

[A] Prof. Dr.-Ing. W. Seemann

Institut für Technische Mechanik

Universität Karlsruhe (TH)

Postfach 63 80

Kaiserstr. 12

76128 Karlsruhe

Telefon: +49-721/608-6824

Telefax: +49-721/608-6070

E-Mail: seemann@itm.uni-karlsruhe.de

Web: http://itm-serv.itm.uni-karlsruhe.de

[B] Prof. Dr. Gerald Urban

IMTEK - Institut für Mikrosystemtechnik

Lehrstuhl für Sensoren

Georges-Köhler-Allee 103

79110 Freiburg

Telefon: +49 761 203 7260

Telefax: +49 761 203 7260

E-Mail: urban@imtek.de

Web: http://www.imtek.de/sensoren/

Universität Kaiserslautern

Transferstelle für Mechatronik

Gottlieb Daimler Str. Geb.44

Postfach 3049

67653 Kaiserslautern

Telefon.: (0631) 205-4043

Telefax.: (0631) 205-4312

Web: http://www.mv.unikl.de/MD/mechatro/kontaktmechatro.html

Eine gute Zusammenfassung des Skriptes von Herrn Urban findet sich unter

http://www.informatik.uni-freiburg.de/~lieneman/Diplom/Zusammenfassung-Sensorik.pdf

Bei Material aus anderen Skripten wird an entsprechender Stelle auf die Quelle verwiesen.

i


II Literatur

Bücher, auf die sich die Vorlesung stützt:

[1] H.-J. Gevatter: Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik

Signatur: NEU 03 ARB

Signatur: EIT 350/122

Signatur: L EIT 210

Signatur: PHY 266/095

[2] D. Jendritza: Technischer Einsatz neuer Aktoren

Signatur: NEU 03 ARB

Signatur: EIT 350/122

Signatur: L EIT 210

Signatur: PHY 266/095

[3] H.-R. Tränkler, E. Obermeier (Hrsg.): Sensortechnik / Handbuch für Praxis und

Wissenschaft, Springer 1998

Weiterführende Literatur

Göpel, Sensors Vol. 1..8, Verlag VCH

Gardner, Microsensors, Wiley

Heywang, Sensorik, Verlag Springer

Middelhook, Silicon Sensors, TU Delft

Sze, Semiconductor Sensors

Schaumburg, Sensoren, Verlag Teubner

Profos, Handbuch der industriellen Messtechnik, Verlag Oldenburg

Tränkler, Sensortechnik, Verlag Springer

Elbel, Mikrosensorik, Teubner

Janocha, Aktoren, Verlag Springer

Völklein, Einführung in die Mikrosystemtechnik, Vieweg

Zeitschriften

Sensors & Actuators

Sensors & Materials

IEEE Sensors

Biosensors & Bioelectronics

Conference Proceedings

Transducers

Eurosensors

IEEE Sensors

Biosensors

MEMS

ii


III MST-Vertiefungslabor

An alle Mikrosystemtechnologie (MST)-Studierenden aus den Fachbereichen

Elektrotechnik & Informationstechnik

Maschinenbau & Verfahrenstechnik sowie

Physik

Im Sommersemester 2004 wird wieder das MST-Pflichtpraktikum „Vertiefungslabor

Mikrosystemtechnologie" stattfinden. Es ist für MST-Studierende des 8. Semesters

vorgesehen, kann aber auch von Studierenden des 6. Semesters belegt werden.

Angeboten werden von den drei Fachbereichen insgesamt 12 Versuche, von denen

die Studierenden 9 auswählen müssen. Aus jedem Fachbereich muss mindestens ein

Versuch gewählt werden. Die 12 angebotenen Versuche sind:

• V0l: Optimierung eines MOS-Herstellungsprozesses (EIT, Prof. Tielert)

V02: Simulation der Transistorkennlinien (EIT, Prof. Tielert)

• V03: Layoutentwurf und Schaltungssimulation (EIT, Prof. Tielert)

• V04: Elektronenstrahl-Lithographie (Ph, PD Dr.

Ehresmann)

• V05: Fluidfluss und optische Wellenleitung

in Kapillarkanälen (Ph, Prof. Fouckhardt)

V06: Magnetooptische Datenspeicher-Materialien (Ph, Prof. Hillebrands)

• V07: Mikromontage durch programmierte Roboter (MV, Prof. Zühlke)

• V08: Das Rasterkraftmikroskop (Ph, Prof. Ziegler)

• V09: Optische Verbindungstechnik

(Optische Schnittstellen) (EIT, Prof. Zengerle)

* V IO: Mikrostrukturierung von photonischen Materialien

(QPM-Materialien) (Ph, Prof. Wallenstein)

• V 11: Spanende Herstellung von Mikrostrukturen 1:

Diamantdrehen (MV, Prof. Haberland)

• V12: Spanende Herstellung von Mikrostrukturen 2:

Mikrofräsen (MV, Prof. Haberland)

Am Donnerstag, 29.April 2004, 14.30 Uhr - 16.00 Uhr wird im Raum 46/323 die

Vorbesprechung zu diesem Praktikum durchgeführt, an der alle interessierten

Studierenden und alle Betreuer/innen teilnehmen müssen. In dieser Vorbesprechung

sollen die Interessenten/ innen schon ihre 9 Versuche aus dem angebotenen

Kontingent auswählen.

iii


IV Vorlesungstermine – Übersicht

Mittwochs, 15:30 - 17:00, 46-280 und freitags, 13:45 - 15:15, 46-280

April

Mai

Juni

Juli

Mo Di Mi Do Fr Sa So

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10 11

12 13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24 25

26 27 28 29 30

Mo Di Mi Do Fr Sa So

iv

1 2

3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16

17 18 19 20 21 22 23 1h

24 25 26 27 28 29 30

31

Mo Di Mi Do Fr Sa So

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 3h

14 15 16 17 18 19 20

21 22 23 24 25 26 27

28 29 30

Mo Di Mi Do Fr Sa So

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10 11 3h

12 13 14 15 16 17 18 2h

19 20 21 22 23 24 25

26 27 28 29 30 31

3-stündige Vorlesung. Di bzw, Mi + Fr je 14 Termine; davon fallen 6 (hier grau unterlegte)

Termine (Mi: 6 + Fr: 3 = 9 Stunden) aus. Allerdings stehen Fr. 2 Stunden statt einer zur

Verfügung: 14-3=11 Extra-Stunden. D.h. Es bleiben 2 Überstunden zur freien Verfügung.


1 Einleitung

1.1 Sensorik

Die Sensorik ist die „Empfangs“-Schnittstelle zwischen realer und virtueller,

messtechnischer Welt. Sie hat sich in den letzten Jahren aus der Messtechnik zu einem

eigenständigen Arbeitsgebiet entwickelt.

Es gibt keine eindeutige Definition des Begriffs „Sensoren". Der Begriff ist vom lateinischen

Wort „Sensus" (= Sinn) abgeleitet.

IEC- (International Electric/Electrotechnical Commission = Internationale Elektrotechnische

Kommission seit 1906; beschäftigt sich mit der Ausarbeitung von Empfehlungen) Definition:

Der Sensor ist das primäre Element in einer Messkette, das eine variable, i.A. nichtelektrische

Eingangsgröße in ein geeignetes Messsignal, insbesondere einer elektrischen,

umsetzt.

Amerikanische Definition: A device that responds to physical stimuli (such as heat, light,

sound, pressure, magnetism, motion) and transmits the resulting signal or data for providing

a measurement, operating a control, or both. (R15.06)

Instrumentation systems using sensors can be categorized into measurement (especially

analytical) or control systems. In measurement systems, a quantity or property is

measured and its value is displayed. In control systems, the information about a

measurand is used to control it so that its measured value should be equal a desired value.

The actuator converts a signal into an action in order to modify the measurand.

Analyzers are special measuring systems whose purpose is to display the nature

and proportion of the constituents of a substance.

Quelle: www.sensedu.com

Der Sensor ist ein Spezialfall des sog. Transducers, der eine Energieform in eine andere

umwandelt. (A transducer is an electronic device that converts energy from one form to

another. Common examples include microphones, loudspeakers, thermometers, position

and pressure sensors, and antenna. Although not generally thought of as transducers,

photocells, LEDs (light-emitting diodes), and even common light bulbs are transducers.

http://whatis.techtarget.com/definition/0,,sid9_gci213215,00.html)

Mit dem Begriff Sensor wird i.A. ein preiswerter, aber zuverlässiger Messwertaufnehmer mit

reduzierter Genauigkeit bezeichnet, der für die Massenherstellung geeignet ist. Die

gängigen Definitionen für die unterschiedlichen Aufnehmer sind dabei in der DIN (Deutsche

Industrie-Norm) 1319-1 und der VDINDE- (Verein deutscher Ingenieure; Verband deutscher

Elektrotechniker) Richtlinie 2600 dargestellt.

Sensoren sind Messanordnungen, mit denen in erster Linie qualitativ (z.B. Wetterhahn →

Bestimmung der Windrichtung), in wenigen Fällen quantitativ spezielle Parameter aus der

Umgebung erfasst werden können wie z.B. die Temperatur, der Druck, der pH-Wert einer

Lösung, die chemische Zusammensetzung einer Lösung oder die eines Gases. Im

Unterschied zur qualitativen und quantitativen Analytik, in der weit aufwendigere

Messanordnungen eingesetzt werden, sind Sensoren i.A. kleiner, billiger und haben oft

schnelle Ansprechzeiten, meist aber auch nur geringe Genauigkeiten. Sensoren sprechen

i.d.R. nur selektiv auf wenige Substanzen an und sind meist empfindlich gegenüber

Störeinflüssen. Chemische Sensoren zeigen nicht selten eine hohe Querempfindlichkeit

gegenüber chemisch verwandten oder strukturell ähnlichen Stoffen. Mit

1


Multisensoranordnungen durch Kombination mehrerer unterschiedlicher Sensormaterialien

und/oder Sensorprinzipien lassen sich die Nachteile eines einzelnen Sensors

kompensieren.

1.1.1 Klassifikationen

Sensors are conventionally classified according to the quantity to be measured into the

groups for the measurement of

• mechanical quantities (position, displacement, force, acceleration, pressure, flow

rate, acoustic waves, etc.) thermal quantities (temperature, heat flow, etc.)

• electrostatic and magnetic fields and fluxes

• radiation intensity (electromagnetic, nuclear, etc.)

• chemical quantities (concentration of humidity, gas components, ions, etc.)

• biological quantities (concentration of enzyme substrates, antigens, antibodies,

etc.)

Another classification is possible according to the nature of interaction giving the basis of

operation in the groups of physical sensors, chemical sensors, and biosensors.

Generator-type sensors operate without external excitation, while modulator-type sensors

need an external source from nature.

Quelle: www.sensedu.com

2


1.1.2 Definitionen nach DIN 13191

Messgrößenaufnehmer (engl.: sensor, fr.: capteur; auch: Messsonde, Messelement;

sensing element, gage) stellen das erste Umformungselement in der Messkette dar.

Messkette: Folge von Elementen eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung, die den

Weg des Messsignals von der Aufnahme der Messgröße bis zur Bereitstellung der Ausgabe

bildet.

VDINDE 2600 (Bl. 3): Messumformer (Transducer) ist ein Messgerät, welches ein analoges

Eingangssignal in ein eindeutig damit zusammenhängendes analoges Ausgangssignal

umformt.

Wandler: Ein- und Ausgangssignal ist dieselbe phys. Größe (keine Hilfsenergie).

Gemäß der DIN IEC 50-801 werden die Wandler unterteilt in: lineare und nichtlineare Wandler passive und aktive Wandler reversibel

und irreversible Wandler reziproke und nichtreziproke Wandler innere Wandler Die grundsätzliche Definition eines Wandler ist :

Gerät, welches ein Signal einer Energieform in ein Signal anderer Energie so umwandelt, dass bestimmte Eigenschaften des Signals

erhalten bleiben.

Lineare und nichtlineare Wandler

Lineare Wandler

Wandler, bei dem die Signale der einen Energieform über eine lineare Transformation in die der anderen Energieform übergehen.

Nichtlineare Wandler

Wandler, bei dem die Signale der einen Energieform über eine nichtlineare Transformation in die der anderen Energieform

übergehen.

Passive und aktive Wandler

Passive Wandler

Wandler, bei denen die Energie des Ausgangssignals ausschließlich aus dem Eingangssignal stammt.

Aktive Wandler

Wandler, bei denen die Energie des Ausgangssignals zumindest teilweise von einer vom Eingangssignal gesteuerten Energiequelle

stammt.

Reversible und nichtreversible Wandler

Reversibler Wandler

Wandler, der gleichermaßen in der Lage ist, eine Energieform in eine zweite sowie umgekehrt diese zweite in die erste umzuwandeln.

Nichtreversibler Wandler

Wandler, der nicht in der Lage ist, eine Energieform in eine zweite sowie umgekehrt diese zweite in die erste umzuwandeln.

Reziproke und nichtreziproke Wandler

Reziproker Wandler

Linearer, passiver, reversibler Wandler

Innere Wandler

Idealisierter, energiespeicherloser und verlustloser reziproker Wandler

Elektroakustische Wandler

Wandler für die Umwandlung von akustischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt

Wandlungsprinzipien

Kohlemikrofon

Piezo-Wandler

Elektrostatische Wandler

Elektromagnetische Wandler

Elektrodynamische Wandler

Magnetostriktive Wandler

Thermische Wandler

Ionisationswandler

3


Einheitsmessumformer (Transmitter) sind Messumformer mit einem genormten

Ausgangssignalbereich (VDINDE 2600).

1.1.3 Physikalische Sensoreffekte

Schematische Darstellung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bereichen der am häufigsten

auftretenden Messgrößen. [3]

Der Umsetzung der Messgröße in ein elektrisches Ausgangssignal liegen physikalische

oder chemische Effekte zugrunde. Oft wird die Umsetzung über mehrere Zwischenstufen

mit unterschiedlichen Signalformen durchgeführt. Dabei treten beliebige Kombinationen der

in Abbildung gezeigten Beziehungen auf.

Die nachstehende Tabelle stellt einige ausgewählte Effekte zusammen, die in der Praxis für

die Umsetzung der Messgröße in ein elektrisches Ausgangssignal genutzt werden. Auf die

einzelnen Effekte wird im folgenden vertieft eingegangen, wobei die Zuordnung nach den in

der Anwendung überwiegend vertretenen Messgrößen vorgenommen wird.

4


1.1.4 Übersicht über einige ausgewählte Sensorprinzipien

[3], S. 36

Sensortyp Detektionssignal

Chemische Sensoren z.B. Farbumschlag

Optische Sensoren z.B. Schichtdickenänderung, Änderung des

Brechungsindex der sensoraktiven Schicht, ...

Massensensitive Sensoren z.B. Frequenzänderung durch Massenzunahme auf einem

Schwingquarz

Elektrochemische Sensoren z.B. Potenzialänderung durch Bildung oder Verlust

redoxaktiver Komponenten

Bioelektrische Sensoren z.B. Potentialänderungen über der Zellmembran

Biochemische Sensoren z.B. Anfärbung von Stoffwechselprodukten, Farbumschlag

oder Fluoreszenzmarkierung

5


1.1.5 Sensoreffekte – Sensormatrix mit Sensoreingangs- und -ausgangsgrößen

Eingangsgröße

Ausgangsgröße

optisch

(Strahlung)

[cd]

mechanisch

[m, kg, s]

thermisch

[K]

elektrisch

[A, s, m, kg]

magnetisch

[A, m]

molekular

(chemisch)

[mol]

optisch

(Strahlung)

OPTIK

Fluoreszenz

Lumineszenz

mechanisch thermisch elektrisch magnetisch molekular

(chemisch)

Tribolumineszenz,

Photoelastischer

Effekt

(Doppelbrechung)

Strahlungsdruck Impuls-Moment-

Erhaltung

(Hebelgesetz)

Strahlungsheizung Adiabatische

Reibungswärme

Piezokalorisch

Photoeffekt,

-widerstand

f

Photomagnetismus

Photochemie

Photographie

Wärmestrahlung Kerr-Effekt, Laser,

Elektrolumineszenz

thermische

Ausdehnung

Piezo- Effekte Seebeck-Effekt

Pyroelektrizität

Magnetoelastik Curie-Weiß'sches

Gesetz

∆p induzierte

Reaktionen,

Nanotechnologie

(AFM)

6

Elektrostriktion,

Piezoelektr.

Wärmeleitung Joulesche Wärme

Elektrokalorisch

Peltiereffekt

Reaktionskinetik

Flüssigkristalle

Faraday-Effekt,

Zeeman-Effekt

Farbreaktionen,

Chemoluminesz.

Magnetostriktion Sorption, ∆V-

Reaktionen

Wirbelströme

Ettinghauseneffekt

∆H-Reaktionen,

Spez. Wärme

kapazität

Influenz, Ströme Halleffekt, Induktion Elektrochemie

Voltametrie

Elektromagnetismus Dia-, Para-,

Ferromagnetismus

Galvanizelle

Elektrolyse

[B] Die der Sensorik zugrunde liegenden Effekte können häufig auch invers für die Aktorik verwendet werden (Symmetrie).

Magnetochemie

Magnetbeads

NMR Spektroskopie

Chemische

Reaktionen

Katalyse, Affinität


1.1.5.1 Einschub: Erläuterung verschiedener Lumineszenzarten

Thermolumineszenz: Glühende Gase in der Flamme

Elektrolumineszenz: a) leuchtende Gasentladung, Blitz, St.-Elmsfeuer, Nordlicht

b) Fluoreszenz oder Phosphoreszenz el. Kathodenstrahlen,

Fernsehen

Photolumineszenz: Umwandlung kurzwelliger optischer Strahlung in langwellige

mittels Leuchtstoffen, UV-Strahlung in Licht, Leuchtstofflampe

Röntgenlumineszenz

:

Röntgenstrahlung an Leuchtstoffen, Röntgenschirm

Radiolumineszenz: Fluoreszenz- oder Phosphoreszenz durch radioaktive Strahlung,

radioaktive Leuchtfarben

Chemolumineszenz: Leuchten bei chemischen Reaktionen, langsame Oxydation von

Phosphor

Biolumineszenz: Leuchten gewisser Lebensvorgänge, Meeresleuchten,

Glühwürmchen

Tribolumineszenz: Leuchten durch mechanische Einwirkung auf Kristalle, Brechen

von Zucker

Quelle: http://www.stengel.de/GERMAN/PDF-

Files/Gesamtdokumente/Gesamtdokument%20Lichtinformationen.pdf

1.2 Aktorik

In der Aktorik werden allgemein informationsumsetzende Systeme, also Aktoren (engl.

‚actuators’), wie z.B. in der Steuerungs- und Regelungstechnik beschrieben. Das Wort ist

wahrscheinlich aus dem Lateinischen von „actor“ abgeleitet, was heute noch im Englischen

soviel wie „Schauspieler“ oder allgemein etwas bezeichnet, das etwas ‚ausführt’ bzw. als

eine ‚Aktion umsetzt’.

7


1.2.1 Einteilung von Aktoren (ohne hydraulische, pneumatische und fluidische

Aktoren)

Elektromechanisch Piezoelektrisch Magnetostriktiv Weitere

Translatorisch Elektrodynamisch: Piezo-Stapeltransla- Terfenolstab-Aktor, Elektrorheologer Aktor,

Linearantrieb, tor,

8

Wurmmotor Magnetorheologer

Aktor,

Tauchspule Inchworm-Motor Thermobimetallaktor,

Elektromagnetisch:

Elektromagnet

Memorymetallaktor,

Polymeraktor,

Elektrochemischer

Aktor,

Mikroaktor,

Smarter Aktor

Rotatorisch Elektrodynamisch: Ultraschall-Motor, Kapazitäts-Mikromotor

Gleichstrommotor, Wanderwellenmotor

Asynchronmotor,

Synchronmotor

Elektromagnetisch:

Schrittmotor,

Reluktanzmotor

Quelle: http://www.fh-merseburg.de/~lohoefen/Aktorik1/Folien_Akt_1.pdf


1.3 Kombination aus Sensorik und Aktorik

Die Kombination aus Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren gestattet es,

Prozessabläufe zu automatisieren, wie es das folgende Schema verdeutlicht.

Quelle: http://alserver01.human.uni-potsdam.de/laabs/STR/skripte/SKRIPT-Grundlagen.pdf

• Sensoren erfassen (messen) die Prozesszustände und erzeugen Messsignale.

• Die Messsignale werden für den Prozessor aufbereitet, Signalanpassung.

• Der Prozessor verarbeitet die Messsignale.

• Ein Programm beinhaltet die Verarbeitungsvorschrift für den Prozessor.

• Die vom Prozessor erzeugten Signale werden für die Aktoren aufbereitet,

Signalanpassung.

• Die Aktoren wirken auf den Prozess direkt ein.

• In umfangreichen Systemen gibt es über Netzwerke Verbindungen zwischen mehreren

Prozessoren.

9


1.4 Vergleich zwischen biologischen und technischen Systemen

Automatisierte Prozesse mit Sensoren und Aktoren ähneln in ihrem strukturellen Aufbau

biologischen Systemen, wie z. B. dem Menschen. In der nachfolgenden Tabelle ist die

Analogie zwischen Mensch und technischem System in den unterschiedlichen Bereichen

von der Signalgewinnung (Sensorik), über die Signalverarbeitung und Speicherung zur

Signalumsetzung (Aktorik) dargestellt. Diese Ähnlichkeit macht sich auch die Bionik

zunutze, die versucht, von natürlichen Systemen zu lernen, um technische Systeme besser

und effektiver konstruieren zu können.

Biologisches System

(z.B. Mensch)

10

Technisches System

(z.B. Roboter)

1. Signalgewinnung Sinne Sensoren

2. Signalverarbeitung Rückenmark

Gehirn (Gedächtnis)

Geruch Gassensoren

Geschmack Chemo- und

Biosensoren

Gehör Mikrofon

Auge Strahlungsdetektor

Positionsdetektor

Kamera

(Mustererkennung)

Hautsinne Temperatur

Bewegung

(Geschwindigkeit)

Kraft

Druck

Feuchtigkeit

3. Signalumsetzung Organe Aktoren

[B]

Arme, Beine Mechanik

Gestik Anzeige

Sensorik: Signalaufnahme

Mikrocomputer

(Speicher)

Computer oder

Mikrocontroller (µC) Signalver-

Sprache Lautsprecher

Schrift Monitor/Drucker

arbeitung

Aktorik:

Signalumsetzung


2 Bionik

2.1 Definition – Was ist Bionik?

1960: Ein amerikanischer Luftwaffen-Major J.E. Steele führt auf einem Kongress in Dayton

den Begriff Bionik ein.

Bionik ist ein moderner Begriff für eine eigentlich uralte Wissenschaft. Er beschreibt das

Abschauen von Ideen aus der Natur - speziell der belebten Natur - um diese Ideen für die

Technik nutzbar zu machen. Bionik ist folgerichtig eine Wortkombination aus Biologie und

Technik.

"Bionik bedeutet, Konstruktionen und Verfahrensweisen der Biologie als Anregung für

eigenständig-technisches Weitergestalten zu nehmen." (Technische Umsetzung)

Eine besondere Rolle in der neuen Disziplin Bionik spielt, wie kaum anders zu erwarten, die

Evolution bzw. sog. Evolutionsstrategien.

Alles Streben richtet sich heute aber nicht mehr vorrangig auf das möglichst effektive

Kopieren natürlicher Strukturen und Techniken, sondern man will mehr. Die Natur soll

übertroffen, die Evolution durch menschliche Intelligenz beschleunigt werden um in kurzen

Zeiträumen zu perfekten Ergebnissen zu kommen, wofür die Evolution Millionen von Jahren

gebraucht hätte...

Alternative Definition: „Ökologische Technik nach dem Vorbild der Natur“

Ökologie (von griech.: oikos Haus; logos: Lehre) ist ein Teilgebiet der Biologie. Es ist die Wissenschaft von den

Wechselbeziehungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt. Dabei wirken biotische Faktoren und

abiotische Faktoren. Wichtigster Begriff ist das Ökosystem bestehend aus Biotop (Lebensraum) und Biozönose

(Lebensgemeinschaft). Die Ökologie bilanziert den Haushalt der Natur. Sie untersucht die Beziehungen der

Organismen zu ihrer Umwelt. Sie erforscht die unbelebten (abiotischen) und belebten (biotischen) Faktoren, die

für einen einzelnen Organismus oder eine Lebensgemeinschaft verschiedener Organismen wichtig sind. Sie

analysiert Ökosysteme, insbesondere deren Artzusammensetzung, deren Stoff- und Energiekreisläufe.

Quelle: http://www.net-lexikon.de/OEkologie.html

2.2 Forschungsthemen der Bionik (ausgewählte Beispiele)

• die widerstandsvermindernde Elastizität der Delphinhaut

• die Turbulenzdämpfung des Schleimes von Fischen

• die Stofftrennungseigenschaften biologischer Membranen,

• die Baustatik von Muschel- u.a. Schalen

• die biologischen Methoden der Energieumwandlung (z.B. Fotosynthese und

Solartechnik)

• die datenverarbeitende Funktion des Neurons

• die Mustererkennung in neuronalen Netzwerken

• die Sinnesorgane von Lebewesen als Modelle für technische Messgeräte

• die Organisationsformen komplexer biologischer Regelungssysteme

11


• die Zuverlässigkeit biologischer Systeme (z.B. Kontrollmechanismen bei

genetischer Strangverdoppelung)

• biomedizinische Techniken

• Bereiche der Mikrotechnologie

• wasserstoffbildende Bakterien

• Wüsteneidechsen als Modell und Vorbild für Festkörperreibung

Quelle: http://www.fh-zwickau.de/esg/bionik.htm

2.3 Was lässt sich von der Natur lernen? Inspirierende Beispiele ...

2.3.1 Beispiel Strömungswiderstand – Widerstandsbeiwert cw: Relevante Faktoren

für Aktoren

Für den Strömungswiderstand Fw gilt:

cw: Widerstandsbeiwert

ρ: Dichte des umströmenden Mediums

v: Relativgeschwindigkeit des umströmten Objekts zum umströmenden Medium

A: Anströmfläche

12


Mögliche Messanordnungen:

Bestimmung der Stirnfläche A durch Schattenwurf. Robotuna (TRIANTAFYLLOU 1995): Bestimmung

von cw über Kräftemessungen bei bekanntem A

und Mediendichten., sowie vorgegebenen

Strömungsgeschwindigkeiten.

2.3.1.1 Reale Messwerte für cws alltäglicher Objekte

Windrichtung von links Körperform Widerstandsbeiwert cW

Halbkugel ohne Boden (Fallschirm) 1,33

Halbkugel 0,34

Platte 1,1

Kugel 0,45

Stromlinienkörper l/d=2 0,2

Auto 0,3 - 0,6

Hollandrad 0,6

Liegerad 0,13 - 0,49

Quelle: http://www.uni-frankfurt.de/fb13/didaktik/pagesK/Unterrichtsmaterialien/Str%F6mungswiderstand.pdf

Vor allem in der Autoindustrie interessiert man sich für den Widerstandsbeiwert cw, da ein

niedriger cw auch eine geringere Leistung des Autos erfordert und somit auch einen

geringeren Benzinverbrauch verursacht. Heute wird jedes zu konstruierende Auto in großen

Windkanälen getestet und sein Widerstandsbeiwert W c berechnet. Die Anströmfläche der

13


Autos wird dabei mit Hilfe der Optik ermittelt: Das Fahrzeug wird mit parallelem Licht

beleuchtet und sein Schattenwurf auf einem Schirm festgehalten.

2.3.1.2 Stromlinienformen in der Natur

Körperformen, die dem technischen Laminarprofil nahe kommen (Quelle: http://www.unimuenster.de/Physik/DP/lit/PhysikBiologie/Stroemung.pdf)

Stromlinienförmiger Körperbau

Der Strömungswiderstand eines Pinguins ist dreimal geringer als der eines modernen U-

Bootes. Sein Strömungs-Widerstandsbeiwert beträgt nur etwa 0.025. Ein moderner

Sportwagen hat einen zehnmal höheren Luftwiderstand. Daraus folgt, dass Pinguine

während des Schwimmens extrem wenig Energie verbrauchen. Die Körperform der

Pinguine ähnelt der einer idealen Spindel und gleicht dabei in der Form einem U-Boot oder

einem Zeppelin. Der Pinguinkörper weist aber nicht eine gleichmäßige Breite über die

Länge auf, sondern besitzt eine Wellenstruktur. Hinter dem schmalen Schnabel kommt der

abgerundete breitere Kopf, danach der etwas dünnere Hals wiederum gefolgt vom dickeren

Körper. Zusammen mit den Federn wirkt dieser Körperbau anscheinend so, dass die

Strömung am Körper eng anliegt und nicht zu früh abreißt. Es bilden sich also keine

störenden und bremsenden Wirbel, die den schwimmenden Pinguin viel Kraft kosten

würden. Diese Eigenschaften machen den Pinguin auch für die Wissenschaftler

interessant. Pinguine legen in natürlicher Umgebung täglich bis zu 100 km zurück und

erreichen kurzfristige Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 7 m/s und das mit minimalem

Energieaufwand. Das Pinguin-Design verspricht ein erhebliches Anwendungspotenzial für

Flugzeuge und Luftschiffe, da damit die Treibstoffkosten drastisch gesenkt werden können.

Informationen von Stefan Blank. http://www.anjaspinguine.de/weitere.htm

Fazit: Der Pinguin optimiert minimalen Umströmungswiderstand mit maximaler

Manövrierfähigkeit und Stabilität.

2.3.1.3 Aus der Natur abgeleitete Formen in der Technik

Schon im Jahre 1920 hat der vom Flugzeugbau kommende Ingenieur Edmund Rumpler

den „Rumpler-Tropfenwagen“ konstruiert. Er besitzt einen Widerstandsbeiwert von

cw = 0,28 und ist im Deutschen Museum in München ausgestellt.

14


Foto: Rumpler-Tropfenwagen, Deutsches Museum München, Januar 2003

Außerdem: Flugzeug, U-Boot, Fahrradhelm, ...

2.3.1.4 Was bestimmt den Strömungswiderstand noch? – ‚Sekundäre’ Faktoren

Oberflächenbeschaffenheit

Chemische Beschaffenheit: Materialeigenschaften, z.B. hydrophil vs. hydrophob (z.B.

Fetten von Federn bei Enten, ...)

Physikalische Beschaffenheit: Materialstruktur: z.B. Mikrostrukturierung (z.B. Haifischhaut,

Lotusblatt-Effekt, ...) – Ausnutzung z.B. beim Golfball

2.3.1.5 Beispiel: Haihaut

Die Oberflächenmikrostruktur der Haut nimmt Einfluss auf die Reibungseigenschaften.

15


Quelle: Swedish Foundation for

Strategic Research

Elektronenmikroskopische

Aufnahme der Oberflächenstruktur

von Haihaut

16

Oberfläche einer Keramik

hergestellt durch Nano- /

Mikrofabrikation

• Haihaut zeichnet sich durch eine extrem niedrige Reibung mit dem umgebenden

Wasser aus.

• Die Strukturen auf der Haihaut erzeugen Mikroturbulenzen, die das Entstehen von

Turbulenzen auf größeren Längenskalen verhindern und dadurch Reibungseffekte

stark reduzieren.

• Durch Herstellung von Materialien mit ähnlichen Oberflächenstrukturen versucht

man die Reibung dieser Materialien mit umgebenden Flüssigkeiten zu minimieren.

Quelle: http://www.uni-muenster.de/Chemie/PC/Funke/roling/matwiss/stunde6.pdf

2.3.1.6 Außerdem: Raue Haihaut als Handersatz

Junge Haie benutzen beim Fressen von Beutetieren die rauen Schuppen ihrer Haut: Sie

packen das Beutestück mit den Zähnen und biegen ihren Schwanz so weit nach vorn, bis

sich die scharfen Schuppen darin festhaken - um die Beute dann mit einem kräftigen Ruck

des Kopfes zu zerreißen. Das berichten britische Biologen im Fachmagazin "Proceedings of

the Royal Society B". Entdeckt haben die Forscher den Einsatz der Haut als Handersatz an

Kleingefleckten Katzenhaien. Bekannt war bisher, dass die raue Haut die Haie schneller

durch das Wasser gleiten lässt. ddp

Artikel erschienen am 26. März 2003 - http://www.welt.de/data/2003/03/26/57699.html

2.3.2 Beispiel Lotusblatt: Lotusblatteffekt

Der Lotus-Effekt ist eine Jahrtausend alte Erfindung der Natur - genauer gesagt ein

besonderes Merkmal der Lotuspflanze. Nach jedem Regen präsentieren sich die Blätter der

Lotuspflanze sofort wieder sauber und trocken. Sie sind nicht mit Wasser benetzbar - der

Schmutz perlt mit dem Regen ab.


Nelumbo nucifera, die Heilige Lotusblume. Klebstoff auf Wasserbasis bleibt nicht haften, sondern

läuft vom Blatt der Lotuspflanze ab.

Selbst hochviskose Flüssikeiten wie Honig laufen von

der extrem antiadhäsiven Oberfläche des Löffels

rückstandsfrei ab.

Ein Tropfen nimmt beim Abrollen die lose auf dem

Blatt aufliegenden Schmutzpartikel auf und reinigt so

die Oberfläche.

Der wichtigste Grund für den Lotus-Effekt in der Natur ist der Schutz gegen krankmachende Keime, wie z. B.

Bakterien und Pilzsporen. Diese werden regelmäßig durch Regen von den Blättern entfernt.

17


2.3.2.1 Ursachen für den Lotusblatteffekt

Eine auf Selbstreinigung optimierte doppelt strukturierte biologische Oberfläche: Durch die

Kombination von Mikro- (Zellen) und Nanostruktur (Wachskristalle) werden Kontaktflächen

minimiert.

Noppen-Mikrostruktur des Lotusblattes bei ca. 1000facher

Vergrößerung.

Die Nanostruktur eines Lotusblattes bei 7.000-facher

Vergrößerung: Die Aufnahme mit dem NanoScope

Rasterkraftmikroskop zeigt die Feinstruktur, die die

Kontaktfläche für Wasser und Schmutz optimal

reduziert. Durch die zusätzliche extreme

Oberflächenhydrophobie perlt Regenwasser sofort ab,

die aufliegenden Schmutzpartikel werden mitgerissen.

Eigenschaften dieser Oberflächenstruktur → Wasser und Schmutz perlen von der

Oberfläche ab.

Hydrophobe mikro- und nanostrukturierte Oberfläche des

Lotusblatts: Die Kontaktfläche für Schmutzpartikel und

Wasser ist extrem reduziert. In Kombination mit einer

extrem hohen Wasserabweisung perlen Regentropfen

sofort ab und reißen die nur lose anhaftenden

Schmutzpartikel problemlos mit.

Glatte hydrophile Oberfläche ohne Mikro- und

Nanostrukturierung: Schmutzpartikel: Sie sind sie stärker

mit Wasser benetzbar und bilden so einen günstigen

Untergrund für anhaftende Schmutzpartikel.

18


Wirkung einer genoppten hydrophobe Oberfläche A gegenüber einer glatten hydrophilen Oberfläche B: Auf A nimmt

jeder abrollende Wassertropfen allen Schmutz mit.

Quelle: http://www.botanik.uni-bonn.de/system/lotus/de/lotus_effect_multimedia.html

2.3.2.2 Beispiel einer technischen Umsetzung für Wandfarben – ‚NanoSilan Coating’

Fassadenfarbe „Lotusan“, die sich dank Lotus-Effect® mit Regen selbst reinigt.

NanoSilan Coating dient der Verbesserung der Reinigungsfähigkeit bei Verlängerung der

Lebensdauer verschiedenster Baustoffe. Die wasser-, fett- und ölabweisende Beschichtung

findet Anwendung bei mineralischen Baustoffen, wie Natur- und Kunststeinen (poliert,

geschliffen oder rauh), Beton, Ziegeln und Klinker. Neben Kunststoffen (antistatische

Wirkung) sind Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Glas und Polycarbonat bevorzugte

Anwendungsgebiete. Ein Nebeneffekt ist der integrierte Graffitischutz (80-90%) und der

Schutz vor wildem Plakatieren, die natürliche Staubabweisung und der Vollschutz gegen

sauren Regen und Schlagregen.

19


NanoSilan COATING ist ein einkomponentiges Produkt auf Basis modifizierter oligomerer

Polysilane. Beim Auftrag findet eine silikatische Reaktion mit dem Baustoff statt, so dass

bereits kurz danach die gewünschte Schutzwirkung einsetzt. Infolge der neuartigen

chemischen Zusammensetzung der verwendeten Wirkstoffe entsteht ein hochwirksamer

und dauerhafter Schutz an der Oberfläche. Mehrere Jahre Erfahrungen in der Praxis

bestätigen die Wirksamkeit.

Ein weiterer Effekt ist die Auffrischung, verblasster bzw. ausgelaugter Oberflächen. Statt

Erneuerung eines Oberflächenbelages (Putz, Fliesen, Dekor, Farbanstrich etc.) genügt oft

ein Reinigen mit nachfolgendem Coating zur Auffrischung der Oberfläche. Das Ergebnis ist

verblüffend und manche Investition kann erheblich reduziert werden mit der Gewißheit

eines vielen Jahre beständigen Oberflächenschutzes. Selbst bei von Algen befallenen

Mauerwerken genügt eine Hochdruckreinigung mit nachhaltigem Auftrag des Silicons für

ein völlig neues Erscheinungsbild.

Quelle: http://www.heinzelmaennchen-info.de/siloxan.htm

Fazit: Bionik gibt Anregungen, wie sich in der Natur entwickelte Problemlösungen technisch

verwerten ließen. (Bsp.: Verminderung des Reibungswiderstands in Getrieben durch

Mikrostrukturierung von Getriebebauteilen. Allerdings würde man z.B. keinen

Feuchtigkeitssensor entwickeln wollen, dessen Oberfläche einen Lotusblatteffekt aufweist.)

20


3 Sensoren und Messwertverarbeitung im Tierreich

Jedes autonome, lebende System ist weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht und

benötigt informationsverarbeitende und aktorische Systeme, um zu überleben. Dazu

gehören höchstempfindliche Sensoren und eine Messwertverarbeitung die schon auf

Sensorniveau beginnt.

Informationsfluss: Aufnahme von Informationen aus der Umwelt über Sensoren, Informationsverarbeitung und

Informationsaufbereitung (Filterung, Kategorisierung, Modifikation, Wandlung, ...) zur Ausgabe über Aktoren. [B]

3.1 Überblick - Rezeptoren als Sensoren: Ereignisgesteuerte Ionenkanäle in der

Nerven- und Muskelzellmembran

Wie in technischen Systemen werden in biologischen Systemen physiko-chemische Signale

in elektrische umgewandelt. Die, Haupt"bauelemente" sind Neurone und in deren

Zellmembran eingebettete Rezeptoren. Jede Zelle besitzt in ihrem Inneren ein chemisch

und elektrisch konstant gehaltenes Milieu (Fließgleichgewicht). Im Extrazellulärraum

entspricht das Verhältnis der lonenkonzentrationen ungefähr dem im Meerwasser, während

aus dem Zellinneren durch aktiven Transport (Na/K-Pumpe) immer Na + heraustransportiert

wird. Dadurch entsteht ein elektrisches Potenzial, das bei Neuronen und Muskelzellen im

Zellinneren ca. -70 mV beträgt.

21


kind of ion cytoplasm =

axoplasm [mM]

K +

Na +

extracellular

space [mM]

124 2

10 145

Ca 2+ 5 2

Mg 2+

total positive

charge

Cl -

-

HCO3

A -

14 1

134 + 2·19

= 172

147 + 2·3

= 153

2 77

12 27

74 13

other (84) (36)

total negative

charge

172 153

Goldman-Gleichung zur Berechnung der Potenzialdifferenz über der Zellmembran: Da die

Permeabilitäten P(t) der Ionenkanäle eine Funktion der Zeit sind, je nachdem, ob ein Kanal

gerade offen oder geschlossen ist, kann die Spannung zeitlich variieren. (Die Goldman-

Gleichung ist eine Spezialform der Nernst-Gleichung aus der Elektrochemie unter

Berücksichtigung der Ionenkanalpermeabilitäten. Über die Nernst-Gleichung lassen sich

Potenzialdifferenzen in z.B. Salz-Konzentrationshalbzellen oder Redoxhalbzellen (wie z.B.

einer Batterie) berechnen.)

Siehe auch: http://www.theochem.uni-duisburg.de/DC/infos/hilfen1/hilfen1.htm

V ( t)

= V ( t)

− V ( t)

m

i

o

RT

= ln


F

n


c=

1

n


c=

1

z

z

c

c

× P(

t)

× P(

t)

c

c

22


[ X ] + z × P(

t)

× [ Y ]

×

a=

1

m


[ X ] + z × P(

t)

× [ Y ]

Siehe dazu auch: http://fachberatung-biologie.de/Themen/neuron/nernst.htm

×

c

c

o

i

m

a=

1

a

a

a

a

a

a

i

o


Schematische Darstellung eines Neurons

(Kandel, Schwartz, Jessel –

Neurowissenschaften, Spektrum Verlag)

depolarization

membrane potential [mV]

resting

potential

hyperpolarization

23

sodium equilibrium potential at +60 mV

action potential

conductivity of open

sodium channels

conductivity of open

potassium channels

potassium equilibrium potential at - 85 mV

0

4ms

Aktionspotenzial (linke Y-Achse) und Leitfähigkeiten der

Ionenkanäle (rechte Y-Achse).

Cm

K +

Na +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ +

A -

K +

Na +

K +

Na +

Na +

extracellular side

+ +

E

Na

g

Na

+_

Cl-

E

K

K +

Cl -

K +

g K INa

Na +

Na +

Na +

Na ATP ADP + P

+ i

K +

K +

K +

Cl -

axoplasm = cytoplasmic side Na - K pump

+_

+

+

A -

IK

Na +

Cl -

K +

E Cl

A -

g Cl

Das Aktionspotenzial hat seinen Ursprung im selektiven und

zeitlich genau abgestimmten Öffnen und Schließen von

spannungsgesteuerten Na + - und K + - Ionenkanälen.

Die Schaltung des Aktionspotenzials wird über Ionenkanäle bewerkstelligt, die damit als

kombinierte ‚Nanosensoren-Nanoaktoren’ fungieren. D.h. auch in der Natur kann ein

Sensor gleichzeitig auch ein Aktor sein: Die Ionenkanäle in Neuronen und Muskelzellen

sind Aktoren im Sinne von Ventilen und Durchflussreglern.

+_

K +


Ionenkanäle können verschiedene Arten von Sensoren sein: chemisch, biochemisch, elektrisch als auch

mechanisch. Aus: Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften, Spektrum Verlag

Signal(vor)verarbeitung im Nervensystem: Die Reizstärke wird als zunächst als elektrisches

Signal über das Frequenzmuster kodiert und später an den Synapsen in ein analoges

chemisches Signal übersetzt.

A. Frequenzkodierung: Aktionspotenziale pro Zeit Aber: Der zeitlicher Abstand

zwischen zwei Aktionspotenzialen kann variieren (vgl. Morsecode).

B. Der diskrete ‚Frequenzcode’ wird an den synaptischen Verbindungen zwischen zwei

(oder mehreren – bis zu 1000) Nachbarneuronen in ein graduiertes analoges Signal

umgewandelt.

24


Reizstärkekodierung über digitale als auch analoge Signale (Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften,

Spektrum Verlag)

Die Frequenzkodierung ist bedeutungsabhängig:

Intensität der Empfindung in Abhängigkeit von der Reizstärke [B]

Die Intensität E der Empfindung gehorcht einer Potenzfunktion:

E = k·(S-S0) n

mit E: Empfindungsstärke, k: Konstante, S: Reizstärke,

S0: Schwellenreiz, n: Geradensteigung.

25


Zwischenbilanz: Schematische Darstellung der Signalkaskade bis zur neuronalen

Verarbeitung:

Aus: BIRBAUMER/SCHMIDT KAP. 15, 301 – 325; PINEL KAP. 8, 187 - 218

26


3.2 Die Rezeptoren der Haut

Aufbau der Haut: Lage der Mechano-, Temperatur- und Schmerz- (=nozizeptive) Sensoren. Es gibt mehrere

Mechanorezeptortypen: Ruffini-Körperchen im tiefen Gewebe (besonders an der Fußsohle, an der Beugeseite

von Gliedmaßen, ..) mit erhöhten Reizschwellen (dienen auch als Thermorezeptoren). Meissner-Körperchen

nahe an der Oberfläche, die besonders gut auf Scherkräfte reagieren. Vater-Pacini-Lamellenkörperchen, die

elastisches Verhalten zeigen und daher Wechseldrucke bis zu 1000 Hz verarbeiten können.

(Mindestreizamplitude 1 µm). Merkel-Zellen, ebenfalls nahe an der Oberfläche, die bei geringen Drucken linear

auf Reize reagieren und langsam adaptieren. Rezeptoren an Haarwurzeln (Haarfollikel-Rezeptoren;

kreisförmig um die Wurzel angeordnete Nervenenden), die auf Bewegungen des Haares reagieren. Freie

Nervenendigungen zwischen den Epidermiszellen dienen als Schmerz- oder Temperaturrezeptoren. Aus:

Ultimate Visual Dictionary 2000, S. 235, DK Publishing

Die Rezeptoren, die uns das Fühlen/Spüren ermöglichen, befinden sich hauptsächlich in

der Ober- (Epidermis) und Lederhaut (Dermis). Hier werden Kälte, Wärme, Berührungen,

Druck und Spannung wahrgenommen und an das Gehirn weitergeleitet.

3.2.1 Tastrezeptoren

Ruffini-Körperchen reagieren auf senkrechte Druckreize und Hautdehnung und detektieren

Informationen über deren Richtung und die Schwerkraft. → (dx)

Meissner-Körperchen reagieren auf leichte Berührung → (dx/dt)

Vater-Pacini-Körperchen reagieren auf Druck und großflächige Berührungen sowie Vibrationen →

(d 2 x/dt 2 )

Das Haarbalggeflecht (um das Haarfollikel) reagiert auf Druck und Berührung (auf behaarten

Hautflächen) Merkel-Tastscheiben reagieren auf exakt lokalisierten Druck/Berührungen (auf

unbehaarten Hautflächen) → (dp)

27


Adaptation bei konstantem Druckreiz

Unbehaarte Haut

Behaarte Haut

langsam mittelschnell sehr schnell

Merkel-Zellen

Ruffini-Körperchen

Tastscheiben

Ruffini-Körperchen

Intensitätsdetektor

Meissner-Körperchen Pacini-Körperchen

Haarfollikel-Sensor Pacini-Körperchen

Geschwindigkeitsdetekor

28

Beschleunigungsdetektor

Klassifikation kutaner Mechanosensoren nach ihrem Adaptionsverhalten. Aus: Birbaumer & Schmidt,

Springer 1991

Die Empfindlichkeit der Vibrationssensoren am Fuß einiger Skorpione liegt bei einigen nm

Schwingungsamplitude. Die Signalverarbeitung erfolgt über Fouriertransformation (die

Schwingungen des Vibrationsreizes werden frequenzkodiert).


3.2 (Fortsetzung)

3.2.2 Temperaturrezeptoren

Ruffini-Spindeln reagieren auch auf Wärme.

Krause-Endkolben reagieren auf Kälte.

Temperatur wird wahrscheinlich hauptsächlich über freie Nervenendigungen

wahrgenommen.

Es gibt zwei Arten von Thermorezeptoren: Warmpunkte und Kaltpunkte. Kaltpunktaxone

sind myelinisiert (d.h. wie ein Kabel abisoliert) und haben so eine höhere

Leitungsgeschwindigkeit, als die unmyelinisierten Warmpunktaxone. Es gibt grundsätzlich

mehr Kaltpunkte als Warmpunkte( z.B. auf der Handfläche 1-5 Kaltpunkte und nur 0,4

Warmpunkte pro cm²).

Thermorezeptoren haben folgende gemeinsamen Eigenschaften:

• Bei gleichbleibender Hauttemperatur besitzen sie eine Dauerentladung, deren

Entladungsfrequenz proportional zur Hauttemperatur ist (statische Antwort).

• Wenn sich die Hauttemperatur sprunghaft ändert, reagieren Thermorezeptoren mit

einer Änderung der Entladungsfrequenz (dynamische Antwort).

Verhalten eines Kaltrezeptors bei kurzen abkühlenden Temperatursprüngen: Lediglich die Temperaturänderung

zu kühleren Temperaturen wird proportional frequenzkodiert. Quelle: F. Schmielau, Einführung in die

Sinnesphysiologie, Teubner Stuttgart 1987; R.F. Schmidt, Grundriß der Sinnphysiologie, Springer Heidelberg

1977; H.Penzlin, Lehrbuch der Tierphysiologie, Gustav Fischer Stuttgardt 1981.

• Unempfindlichkeit gegenüber nicht-thermischen Reizen (Reizspezifität).

• Leitungsgeschwindigkeiten von unter 20m/s (bis zu 0,4m/s)

30


3.2.2.1 Beispiel: Grubenorgan einer Klapperschlange

Einige Schlangenarten besitzen ein thermosensensibles Organ, mit dem eine hochspezialisierte

Richtungsperzeption möglich ist. Es handelt sich hierbei um das jeweils zwischen Auge und Nasenöffnung

liegende Grubenorgan. Durch die grubenförmige Anordnung der Thermorezeptoren in der Membran des

Grubenorgans ist eine exakte Lokalisation der Beute in völliger Dunkelheit möglich. So schlagen diese Schlangen

in Dunkelheit eine Maus, die 10°C wärmer ist als ihre Umgebung, noch aus 60-70 cm Entfernung. Das

Grubenorgan ist so empfindlich, dass es noch Temperaturschwankungen von 3 mK wahrnehmen kann. Nach

Newmann u. Hartline 1982; Bullock u. Dieke 1956; Penzlin, H. (1996); Lehrbuch der Tierphysiologie; Gustav

Fischer Verlag.

Prinzipdarstellung einer technisch verwirklichten

Temperaturdetektoranordnung mit Hilfe eines

Parabolspiegels.

Die dünne Membran wird wegen ihrer geringen thermischen Masse schnell durch

Infrarotstrahlung erwärmt. Temperaturänderungen der Membran von nur 0,003°C in 100 ms

werden detektiert.

Die Trigeminusnervenfasern des Grubenorgans ziehen in einen neuen Kern, den Kern des

lateralen, absteigenden Trigeminustrakts LTTD. Dieser Nucleus projeziert über den

Nc.reticularis caloris ins optische Tectum. Dort werden die Infrarotinformationen

topographisch geordnet und in Übereinstimmung mit der Retinotopie der Augen

repräsentiert.

Entsprechend dieser bimodalen Innervation findet man im Tectum Neurone, die innerhalb

ihres rezeptiven Feldes sowohl auf Infrarot als auch auf einen Sehreiz ansprechen. Die

Infrarot- und Seheingänge sind auf dem Tectum unterschiedlich miteinander verknüpft.

Folgende Neuronklassen wurden gefunden:

1) "and" Neurone antworten maximal wenn beide Eingänge aktiviert sind (sichtbare,

warmblütige Beutetiere);

2) "or" Neurone antworten, wenn einer der beiden Eingänge aktiv ist.

31


3) "visual-enhanced" Infrarotneurone antworten auf eine sichtbar Beute nur, wenn sie

warmblütig ist.

4) "infrared-enhanced" Sehneurone: keine Antwort auf Infrarotreiz alleine.

5) "visual-depressed" Infrarotneurone antworten gut auf versteckte Wärmequellen.

6) "infrared-depressed" Sehneurone antworten gut auf sichtbare, kalte Beute, z.B. auf einen

Frosch.

Mit diesem Satz infrarot/optischer neuronaler Filter und dem feinen vomeronasalen

Geruchssinn (siehe Geruchsrezeptoren) können Schlangen auch versteckte Beute zu jeder

Tageszeit erfolgreich aufspüren und lokalisieren.

3.2.2.2 Beispiel: Käfer, die auf Waldbrände spezialisiert sind.

Unter den Prachtkäfern gibt es eine Gattung, Melanophila, die von Waldbränden aus einem

Umkreis von bis zu 50 km angezogen werden. Diese Käfer sind auf Waldbrände

angewiesen, weil sich ihre Engerlinge nur in frisch angebranntem Holz entwickeln können.

Diese Käfer werden nicht durch den Brandgeruch oder Feuerschein zum Waldbrand

geführt sondern durch ein Paar kleiner Gruben, die im Coxaring des mittleren Beinpaares

liegen. In der Grube sitzen 50 - 100 Sensillen, deren jeweiliges Dendritenende ähnlich wie

bei campaniformen Sensillen in die Basis einer Cuticulaschale eingeklemmt ist. In die

Cuticulaschale hängt an einem Stiel eine Endocuticulakugel, die Infrarot im Wellenbereich

von 2,5 - 4 µm sehr schnell absorbiert. Dies ist der Wellenbereich, der bei Waldbränden

abgestrahlt wird. Reizt man die Grubenorgane mit Infrarot solcher Wellenlängen so genügt

schon eine Intensität von 0,06 mW/cm¨ um eine Verhaltensreaktion auszulösen; und

phasenkorrelierte neuronale Antworten der Sensillen auf kurze Infrarotimpulse erhält man

mit Wiederholfrequenzen bis zu 100 Hz. Experimente ergaben jedoch, daß die Sensillen

auch auf mechanische Deformationen reagierten.

Daraus wurde geschlossen, daß die Grubenorgane der Käfer als Infrarot-Wärme-

Mechanotransformer arbeiten: Erreicht die Infrarotstrahlung eines Waldbrands das

Grubenorgan, so werden die Endocuticulakugeln in Bruchteilen von sec erwärmt und

dehnen sich aus. Sie wölben damit die sie umfassende Cuticulaschale aus, die nun

ihrerseits, wie bei campaniformen Sensillen, auf den dazwischengeklemmten Dendriten

drückt. Der unmittelbare adäquate Reiz für die Transduktion wäre nicht Infrarot, sondern der

mechanische Druck der Cuticulaschale.

Die Existenz von Käfern, die für ihre Fortpflanzung auf verbranntes Holz angewiesen sind,

beweist, daß es auch in prähistorischer Zeit genügend Waldbrände gab. Worin allerdings

der Selektionsvorteil einer solchen ausgefallenen Spezialisierung liegen soll, ist schwer

auszumachen.

3.2.3 Schmerzrezeptoren

Die für Schmerzempfindung verantwortlichen freien Nervenendigungen befinden sich ganz

nah an der Hautoberfläche. Sie reagieren auf Reize unterschiedlicher Art und sind mit etwa

3 bis 4 Millionen Schmerzpunkten die am häufigsten vertretenen Sinneswerkzeuge der

Haut.

32


Auf einen Quadratzentimeter Haut befinden

sich etwa 200 Schmerzpunkte, 2

Wärmepunkte und 13 Kältepunkte. Die

Verteilungsdichte der Rezeptoren variiert

allerdings je nach dem Ort auf der Haut,

abhängig von der Bedeutung des

Hautbereiches: z.B. ist der Tastsinn an

Händen und Lippen empfindlicher als auf

dem Rücken, da diesen Bereiche im

alltäglichen Leben eine ‚wichtigere’ Rolle

zukommt (siehe nebenstehenden

‚Homunculus’).

3.3 Optische Rezeptoren – Augen

3.3.1 Aufbau des Auges

Die Photorezeptoren befinden sich in der Netzhaut (Retina, lat. rete = Netz). Die Position der Retina innerhalb

des Auges ist auf der linken Seite der Abbildung dargestellt. Die rechte Seite zeigt die Details der Retina im

Bereich der Sehgrube (Fovea), in der die Dichte der Photorezeptoren (d.h. der primären Lichtsensorelemente)

am höchsten ist (→ schärfstes Bild). Quelle: Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften, Spektrum Verlag

33


3.3.2 Photorezeptoren

A. Stäbchen (Dämmerungssehen, engl. rods) und Zapfen (Tages- und Farbsehen, engl. cones) bestehen aus

einem Innen und einem Außensegment, die über ein sog. Cilium (Wimper) verbunden sind. Das Innensegment

enthält den Zellkern, und in ihm laufen die Mehrzahl der biosynthetischen Prozesse ab. Das Außensegment

enthält hingegen den lichteinfangenden Apparat mit einem Stapel von Membranscheiben, sog. Disks, welche die

lichtabsorbierenden Photopigmente enthalten. Quelle: Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften,

Spektrum Verlag

Die Unterschiede zwischen Stäbchen und Zapfen und zwischen den entsprechenden

neuronalen Systemen:

Stäbchen (Dunkelsehen) Zapfen (Hell- und Farbsehen)

• hohe Empfindlichkeit, auf das Nachtsehen

spezialisiert

• mehr Photopigmente, fangen mehr Licht

ein

• höhere Verstärkung, Detektion von

einzelnen Photonen

• geringe zeitliche Auflösung: langsame

Antwort, lange Integrationszeit;

Frequenzauflösung: 12 Hz

• sensitiver für Streulicht

Stäbchensystem Zapfensystem

• geringe Schärfe: hochkonvergente retinale

Verbindungen, kommt nicht in der Fovea

centralis vor

• achromatisch: nur eine

Stäbchenpigmentart

34

• niedrige Empfindlichkeit, auf das

Tagessehen spezialisiert

• weniger Photopigmente

• geringere Verstärkung

• höhere Auflösung: schnelle Antwort,

kurze Integrationszeit;

Frequenzauflösung: 55 Hz

• sensitiver für direkte Axialstrahlen

• hohe Schärfe: weniger konvergente

retinale Verbindungen, in der Fovea

konzentriert

• chromatisch: drei Zapfenarten, jede Art

mit einem bestimmten Pigment, das in

einem bestimmten Spektralbereich am

empfindlichsten ist


3.3.3 Photochemie

Chemischer Sensormechanismus: Konfigurationsänderung von 11-cis-Retinal zum 11-trans-Retinal bei

Lichteinfall auf den Photorezeptor: Das 11-trans-Retinal passt daraufhin nicht mehr in die Bindungstasche und

wird ausgestoßen, was nach Auslösen einer chemischen Kaskadenreaktion im Photorezeptor zu einer

Änderung in dessen elektrischer Erregung führt, die in nachgeschalteten Neuronen ebenfalls zu einer

Änderung in deren elektrischer Aktivitätsfrequenz führt. [B]

3.3.4 Elektromagnetisches Spektrum und Empfindlichkeit des Auges bzw. der

Photorezeptoren

Elektromagnetisches Spektrum mit dem Ausschnitt des sichtbaren Bereiches von ca. 400 nm bis knapp 800 nm.

Quelle: http://www.roro-seiten.de/

35


Normierte Absorptionskurven der menschlichen Photopigmente:

Kurzwelliger Zapfen (K), mittelwelliger Zapfen (M) und langwelliger Zapfen

(L), sowie Stäbchen (S). Quelle: Schmidt & Schaible – Neuro- und

Sinnesphysiologie, Springer Verlag.

Die höchste Empfindlichkeit des Auges liegt bei einer Lichtwellenlänge von 500 nm (grün)

bei 2·10 -17 Ws. Die Energie eines Einzelphotons beträgt bei dieser Wellenlänge:

12

c

−34 2 3×

10 nm

−19

E = h × ν = h × = 6,

6 × 10 W × s × = 4 × 10 W × s

λ

500 nm × s

Das Auge ist also in der Lage, bereits 50 Photonen grünen Lichts als Lichteindruck

wahrzunehmen. Daraus lässt sich schließen, dass ein einzelner Photorezeptor ein einziges

Photon detektieren kann (Einphotonensensor).

3.3.5 Den Photorezeptoren nachgeschaltete Signalverarbeitung in der Netzhaut

Histologischer Schnitt durch die Netzhaut (links) und schematische Darstellung (rechts): Die Lichtrezeptoren

(= Sensoren & Wandler) sind an ein Netzwerk aus Neuronen verknüpft, die eine Vorverarbeitung (vorwiegend

Kontrastierung) der Bildwahrnehmung vornehmen, bevor die optischen Informationen über den Sehnerv an die

Sehzentren im Gehirn weitergeleitet werden. Quelle: Nicholls, Martin & Wallace – From Neuron to Brain, Sinauer

Associates; Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften, Spektrum Verlag (Nach Dowling, 1979.)

36


Die retinalen Ganglienzellen reagieren eher auf Kontraste als auf absolute Lichtintensität in ihrem rezeptiven

Feld: Ganglienzellen haben kreisrunde rezeptive Felder, die sich in ein Zentrum und ein Umfeld gliedern.

Ganglienzellen mit On-Zentrum werden erregt, wenn ein Lichtreiz das Zentrum trifft und gehemmt, wenn das

Umfeld belichtet wird; Ganglienzellen mit Off-Zentrum reagieren genau entgegengesetzt. Die Abbildung zeigt

die Antworten von beiden Zellarten auf fünf verschiedene Lichtreize (der erregte Bereich des rezeptiven

Feldes ist weiß dargestellt). Das von der Ganglienzelle abgefeuerte Aktionspotentialmuster als Antwort auf die

verschiedenen Reize ist anhand einer extrazellulären Ableitung gezeigt. Die Dauer der Reizung zeigt ein

Balken über der Messung. (Nach Kuffler, 1953.)

A. Ganglienzellen mit On-Zentrum antworten am besten, wenn das gesamte Zentrum des rezeptiven Feldes

stimuliert wird (3). Diese Zellen antworten weniger lebhaft, wenn nur ein Teil des zentralen Feldes durch den

Lichtpunkt erregt wird (1). Beleuchtet man das Umfeld mit einem Lichtpunkt (2) oder einem Lichtring (4), wird

die Frequenz der Aktionspotentiale reduziert oder die Zelle reagiert überhaupt nicht mehr. Sie beginnt jedoch

wieder - für kurze Zeit sogar verstärkt - zu feuern, wenn das Licht wieder ausgeschaltet wird. Eine diffuse

Beleuchtung des gesamten rezeptiven Feldes (5) löst nur relativ schwache Entladungen aus, da sich die

Wirkung von Zentrum und Umfeld gegenseitig neutralisieren. (Schnelle Reaktion auf Zunahme der

Lichtintensität, aber schlechte Weiterleitung schneller Lichtintensitätsabnahmen.)

B. Wird der zentrale Bereich des rezeptiven Feldes beleuchtet, wird zwar das spontane Feuern der Ganglienzellen

mit Off-Zentrum unterdrückt (1 und 3), es nimmt jedoch für kurze Zeit verstärkt zu, wenn die

Belichtung wieder abgestellt wird. Licht, das das Umfeld des rezeptiven Feldes trifft, erregt die Zelle (2 und

4). (Schnelle Reaktion auf Abnahme der Lichtintensität, aber schlechte Weiterleitung schneller

Lichtintensitätszunahmen.)

Quelle: Kandel, Schwartz, Jessel – Neurowissenschaften, Spektrum Verlag

37


3.4 Akustische Sensoren – Gehör

3.4.1 Schall, Schalldruck und Lautstärke

• Schall entsteht durch rhythmische Luftschwingungen, d.h. Verdichtung und

Verdünnung von Luftmolekülen.

• Ausbreitung einer Schallwelle mit 340 m/sec oder 1224 km/h (1 Mach = 1000 km/h).

Beschreibung der Schallwelle durch zwei Merkmale:

1. Frequenz:

• Anzahl der Schwingungen innerhalb einer Zeiteinheit.

• Einheit: Hertz (Hz) = Schwingungen pro Sekunde.

• Hohe Frequenz = hoher Ton, niedrige Frequenz = tiefer Ton.

• < 20 Hz: Infraschall, > 16.000 Hz: Ultraschall.

2. Amplitude:

• Höhe/Intensität der Schwingungen, die durch die Luftmoleküle zurückgelegte

Distanz = Schalldruck.

• Einheit: Pascal (Pa) = Newton/m 2 .

• Schwankt zwischen ca. 1/100.000 - 100 Pa; zum Vergleich: umgebender Luftdruck

beträgt ca. 100 000 Pa (10 5 Pa = 1 bar).

• "Handlicheres" Maß für Schalldruck: Schalldruckpegel L mit der Einheit Dezibel (dB

SPL, sound pressure level): L = 20·log px/p0 mit px: Schalldruck in Pascal; p0:

Bezugsschalldruck = 2·10 -5 Pa, der in der Nähe der Hörschwelle liegt). Steigt der

Schalldruckpegel um 20 dB, dann hat sich der Schalldruck tatsächlich verzehnfacht.

• Beim Menschen Schallempfindung bei Schallwellen mit einem gewissen

Mindestdruck im Frequenzbereich 20 – 16 000 Herz (Hz), bei anderen Spezies

anderer Frequenzbereich (Fledermäuse hören z.B. Frequenzen bis 120 000 Hz).

38


Zunahme des

Schalldruckes

um den

Faktor

Schalldruckpegel

(SPL) in dB

1 Bezugsschalldruck 0

1,41 mittlere Hörschwelle

bei 1000 Hz

10 ländliche Ruhe 20

100 leises Gespräch 40

1000 normales Gespräch 60

10000 lauter Straßenlärm 80

100000 lauter Industrielärm 100

1000000 Schuß, Donner 120

10000000 Düsentriebwerk 140

Die dynamische Breite des Ohres, d.h. der

Schallintensitätsumfang, den das Ohr

empfinden kann, ist sehr groß. Sie reicht

von 10 -16 W/cm 2 bis 10 -4 W/cm 2 , umfasst

also 12 Zehnerpotenzen. (Das Trommelfell

besitzt ca. 1 cm 2 Fläche.) An der

Hörschwelle führt die soeben

wahrnehmbare Schallintensität von

10 -16 W/cm 2 im Innenohr zu Schwingungen

von weniger als dem Durchmesser eines

Wasserstoffatoms.

3

Ändert sich die Tonhöhe (Frequenz), so wird vom Zuhörer bei

gleichem physikalischen Schalldruckpegel L eigenartigerweise

trotzdem eine andere Lautstärke empfunden. Die subjektive

Lautstärke ist also frequenzabhängig. Dazu wurde die Einheit

„Phon“ für den subjektiv wahrgenommenen Lautstärkepegel

eingeführt, um einen einheitlichen Lautstärkepegel über den

gesamten Frequenzbereich zu erhalten. D.h. der physikalisch

messbare Schalldruckpegel L muss in Abhängigkeit von der

Frequenz angepasst werden, um über den gesamten

Frequenzbereich eine einheitliche Lautstärke, die dann in Phon

angegeben wird, zu empfinden. Isophone (Kurven gleicher

Lautstärkepegel in Phon). Per definitionem stimmen Phon und

Dezibel nur bei 1 kHz überein. Quelle: Schmidt & Schaible –

Neuro- und Sinnesphysiologie, Springer Verlag.

Hörbereich: Der Frequenzbereich ist abhängig von

der Spezies als auch vom Alter. Quelle:

Kompaktwissen - Der Mensch, coventgarden

39


3.4.2 Aufbau des Ohres

Labyrinth = Innenohr: 60% der Schallenergie werden durch

Trommelfell und die drei Gehörknöchelchen (im Mittelohr,

nicht gezeigt) bis zum ovalen Fenster fortgeleitet und so an

das Innenohr angekoppelt. Dabei wirken die

Gehörknöchelchen als Impedanzwandler: Die Fläche der

Steigbügelfußplatte als Endigung des dritten

Gehörknöchelchens ist beträchtlich kleiner als das

Trommelfell. Da der Druck = Kraft/Fläche (p = F/A) ist, wird

durch die Gehörknöchelchen eine Druckerhöhung erreicht.

40

Haarzellen wirken beim Hören und auch bei der

Aufrechterhaltung des Gleichgewichts mit: Im

Corti-Organ liegen über 15 000 Haarzellen (als

primäre Sensoreinheiten).

Jede von ihnen besitzt ein Bündel aus winzigen

Fasern (bis zu 100), die in der Schnecke

(Cochlea) des Innenohres mit der Basilar-

Membran in Kontakt stehen. Bewegt diese

Membran die Fasern, lösen die Haarzellen

einen Nervenimpuls aus. Die Position der

Haarzelle auf der Membran bestimmt die

Frequenz, die Wahrgenommen wird, da der

Bereich der Membran aufgrund der Anatomie

der Schnecke nur dann in Schwingung gerät,

wenn die Frequenz im Schallmuster vertreten

ist.


3.4.3 Mechanik der Schallwellenübertragung

• Schallwelle bringt Trommelfell zum Schwingen

• Schwingung setzt sich über Gehörknöchel fort und erreicht das ovale Fenster

• Die Druckwelle wird auf die Flüssigkeit in Scale vestibuli übertragen; pflanzt sich

über Helicotrema (Spitze der Schnecke) fort in die Scala tympani, Druckausgleich

am runden Fenster.

• Durch Bewegung der Scala vestibuli und der Scala tympani wird die Scala media

passiv mitbewegt. Dadurch bilden sich Wanderwellen aus (vgl. Ausbreitung eines

einzigen Impulses entlang eines an zwei Enden eingespannten Seils; Nobelpreis für

Wanderwellenhypothese für Georg von Békésy, 1961), welche die Basilarmembran

mitbewegen (Auslenkung).

• Die Basilarmembran bewegt sich dadurch gegen die Tectorialmembran. Es kommt

zu einem Abscheren der Stereocilien der Haarzellen, welches der Reiz für die

Erregung der Haarzellen ist.

• Die Haarzelle wird depolarisiert (= Sensorpotential), wobei das Signal an afferente

Nervenfasern weitergeleitet wird (Neurotransmitter: Glutamat).

• In Abhängigkeit der Frequenz entsteht das Maximum der Wellenamplitude an einem

bestimmten Ort der Basilarmembran.

• Ist das Maximum erreicht werden an dieser Stelle die Haarzellen aktiviert und ein

Sinnesreiz ausgelöst (tonotope Organisation).

• Hohe Töne haben ihr Maximum kurz hinter dem ovalen Fenster, tiefe Töne am

Helicotrema.

• Das gesunde Ohr kann Frequenzunterschiede von 0,3% unterscheiden (z.B. 3 Hz

bei Tonhöhen um 1000 Hz).

• Die Frequenzanalyse des Ohres wird über zwei Mechanismen durchgeführt: 1.

Ortsprinzip: aufgrund der Anatomie und Zusammensetzung der die Schnecke

ausfüllenden Flüssigkeiten wird eine einzelne Frequenz nur an einem bestimmten

Ort (Maximum der Wanderwelle) durch Reizung weniger Haarzellen

wahrgenommen. 2. Periodizitätsanalyse: Das Innenohr kann periodisch

wiederkehrende Schalldruckspitzen erkennen, d.h. die Zeitstruktur des Schallsignals

erfassen.

41


3.5 Chemische Sensoren - Geruchssinn

Das Riechepithel (= Riechschleimhaut) befindet sich am Dach der Nasehöhle. Duftstoffe werden durch ein

System von Strömungskörpern zum Riechepithel geleitet. Dort binden sie an die chemosensorischen Zilien der

Riechzellen. Riechzellen wandeln die Information über die chemische Zusammensetzung und die Intensität des

Geruchs in elektrische Signale um (chemoelektrische Transduktion) und leiten diese dem Gehirn zu. Die erste

Station der Verarbeitung olfaktorischer Signale im Gehirn ist der Riechkolben (Bulbus olfactorius).

Das Jacobson’sche Organ (auch: vomeronasales Organ) ist ein zweites, vom Riechepithel unabhängiges

chemosensorisches Organ. Bei den meisten Säugetieren dient es zur Wahrnehmung von Pheromonen,

Signalstoffen, die zwischen Individuen derselben Art ausgetauscht werden und wichtige Funktionen beim Sozial-

und Reproduktionsverhalten erfüllen. Die Rolle des Jacobson’schen Organs beim Menschen in noch nicht

geklärt. Quelle: Richard Axel "Die Entschlüsselung des Riechens" Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1995,

72-78.

42


Mondspinner der Gattung Actias. Die Antennen des

männlichen Tieres (gelbe, federartige Strukturen) sprechen

auf einzelne Pheromonmoleküle an. Pheromone (z.B.

Bombykol) werden von weiblichen Tieren produziert und

locken das Männchen über große Entfernungen hinweg an.

Quelle: William C. Agosta "Dialog der Düfte" Spektrum

Verlag, Heidelberg (1994).

43

Puffotter: Mit ihrer gespaltenen Zunge sammelt

die Schlange Moleküle aus der Luft und drückt

sie gegen ein Organ im Mund.


Kodierung der chemikalischen Zusammensetzung eines Geruchs: Dies ist das Ergebnis eines Versuchs, bei

dem 60 verschiedene Riechzellen mit jeweils 20 Duftstoffen stimuliert worden sind. Man wollte die Frage

untersuchen, ob Riechzellen nur auf einen oder auf mehrere Duftstoffe reagieren. Der Durchmesser der

einzelnen Punkte symbolisiert, mit wie viel Aktionspotentialen eine Zelle auf den jeweiligen Duftstoff reagiert hat

(die Legende unter dem Bild gibt die Anzahl von Aktionspotentialen pro Stimulation an). Man sieht, dass

manche Zellen nur auf wenige Duftstoffe reagieren: z.B. Zelle Nr. 58 reagiert nur auf Cineol und Campher,

andere Zellen (z.B. Nr. 4) reagieren auf alle Duftstoffe. Man weiß heute, dass die Reaktion von Riechzellen

nicht nur von der Art des Duftstoffs sondern auch von der Konzentration abhängt. Jede Riechzelle reagiert mit

hoher Empfindlichkeit (bei extrem niedrigen Konzentrationen) nur auf eine kleine Gruppe von Duftstoffen. Je

höher aber die Duftstoffkonzentration ist, desto größer ist die Anzahl unterschiedlicher Duftstoffe, die eine

Reaktion auslösen. Quelle: G. Sicard and A. Holley, "Receptor cell responses to odorants: similarities and

differences among odorants." Brain Research 292:283-296 (1984).

44


Aus dem Riechepithel ziehen die Axone der Riechzellen durch Poren im Siebbein zum Riechkolben (Bulbus

olfactorius). In den Glomeruli des Riechkolbens bilden die Riechzellaxone Synapsen mit nachgeschalteten Zellen

(Mitralzellen). Etwa 1000 Riechzellen gleicher Duftstoffselektivität konvergieren auf eine je Mitralzelle. Das

Geruchssignal wird dadurch räumlich geordnet; es entsteht eine topographische Repräsentation des Geruchs im

Riechkolben. Die Mitralzellen leiten das Signal weiter zur Riechrinde (dem Pyriformen Cortex). Nicht

eingezeichnet sind Zellen, die laterale Verbindungen zwischen Glomeruli und Mitralzellen herstellen

(Periglomeruläre Zellen und Körnerzellen). Quelle: Richard Axel "Die Entschlüsselung des Riechens" Spektrum

der Wissenschaft, Dezember 1995, 72-78.

45


Die Entstehung eines topologischen (räumlich geordneten) Signals: Riechzellen gleicher Selektivität sind mit den

gleichen Glomeruli verbunden. Riechzellen, die das gleiche Rezeptoren exprimieren (und damit die gleiche

Duftstoffselektivität besitzen) sind über die Fläche des Riechepithels zufällig verteilt. Ihre Axone projizieren

jedoch nur auf ein oder wenige Glomeruli im Riechkolben. Die Mitralzellen eines Glomerulus werden also nur bei

Detektion einer kleinen Gruppe von Duftstoffen aktiviert. Da unterschiedliche Glomeruli mit Riechzellen

unterschiedlicher Selektivität verbunden sind, ergibt sich bei Stimulation mit einer Duftstoffmischung ein

Aktivitätsmuster der Glomeruli im Riechkolben. Dieses räumliche Aktivitätsmuster kann von den

nachgeschalteten Ebenen des Riechsystems (Riechrinde, etc.) als Geruch interpretiert werden.

3.5.3 Magnetosensoren

Meeresschildkröten navigieren magnetisch (Ursula Keuper-Bennett/ Peter Bennett, Spiegel

Online, 29.04.2004)

Meeresschildkröten sind die Nomaden der Meere: Die gepanzerten Tiere legen nicht selten

Tausende Kilometer lange Reisen durch die Ozeane zurück. Wie sie sich dabei

zurechtfinden, war ein Rätsel - bis jetzt: Die Schildkröten orientieren sich am irdischen

Magnetfeld.

Suppenschildkröte: Magentismus-Landkarte im Kopf

46


Lange Zeit konnten sich Wissenschaftler nicht erklären, wie sich Meeresschildkröten in den

riesigen Weiten der Ozeane orientieren. Tests mit Suppenschildkröten haben jetzt gezeigt:

Die Tiere richten sich bereits in jungen Jahren nach dem Erdmagnetfeld. So können die

Schildkröten jederzeit ihre exakte Position bestimmen - wie mit einer ständig aktualisierten

inneren Landkarte.

Auf des Rätsels Lösung kamen Kenneth Lohmann von der University of North Carolina und

seine Kollegen durch einen selbst angelegten Mini-Ozean. Die Wissenschaftler bauten eine

Magnetspule von der Größe eines zweistöckigen Hauses auf. In einem Wasserbecken im

Inneren der Spule konnten sie so die Magnetverhältnisse vor der Ostküste Floridas

simulieren.

Dort eingefangene Suppenschildkröten fühlten sich in dem Becken offenbar wie zuhause:

Bei magnetischen Verhältnissen, wie sie 337 Kilometer nördlich der Fangstelle herrschen,

schwammen sie nach Süden. Wurde der Mini-Ozean auf die Verhältnisse des Gebiets 337

Kilometer südlich eingestellt, zog es die Tiere nach Norden, wie die Meeresbiologen in der

Fachzeitschrift "Nature" (Bd. 428, S. 909) schreiben.

Zu ähnlichen Ergebnisse war Lohmann bereits bei Tests mit Hummern gelangt. Zudem

fanden die Forscher heraus, dass ältere Tiere die Magnetismus-Informationen wesentlich

genauer auswerten können. Nun wollen die Wissenschaftler mehr Details über die

eingebaute Magnetismus-Landkarte in Erfahrung bringen - etwa welche Komponenten des

Magnetfelds die Tiere für ihre Navigation nutzen und wie die Landkarte im Kopf entsteht.

3.6 Geschmack

Informieren Sie sich über die Funktionsweise der Zunge in einem Buch Ihrer Wahl.

3.7 Gleichgewichtssinn

Informieren Sie sich über den im Innenohr zu findenden Gleichgewichtssinn in einem Buch

Ihrer Wahl.

47


3.8 Zusammenfassung zur Sensorik der Sinne

Quelle: BIRBAUMER/SCHMIDT KAP. 15, 301 – 325; PINEL KAP. 8, 187 - 218

48


4 Messwertaufnahme in der Sensorik

Sensoren sind nichts anderes als Messwertaufnehmer, die eine physikalische oder chemische

Größe in eine andere derartige Größe wandeln.

4.1 Arten von Größen: Intensive und extensive Größen:

Extensive Größen charakterisieren einen Zustand eines an sich geschlossenen Systems, der

sich beim Teilen dieses Systems ändert (Länge, Volumen, Masse, Energie (auch Wärme),

etc.).

Bei intensiven Größen ändert sich der Zustand des Systems beim Teilen nicht (Druck,

Temperatur, Konzentration, Zähigkeit etc.).

4.2 Messgrößen-Umwandlung

Indirekte Messung einer Eingangs-Messgröße x1 durch Wandlung in eine andere, leichter (z.B.

elektronisch) verarbeitbare Größe x2, wobei x1 und x2 durch ein physikalisches Gesetz

miteinander verbunden sind. x2 kann schon die gewünschte Ausgangsgröße y sein oder aber

über weitere Wandlungsschritte in eine solche umgeformt werden :

Beispiele:

Eingangsgröße Sensor 1 Sensor 2 oder Wandler Ausgangsgröße

49


4.3 Struktur einer Messung

Prinzip: (ideal, ohne Störungen und Fehler)

Prinzipdarstellung einer Messkette.

Messkette mit Datendokumentationssystem (monitoring) als letztes Kettenglied

50


Messkette mit Aktor als letztes Kettenglied

Beispieldarstellung einer Temperaturmesskette

4.4 Sensoren: Prinzipielle Beschreibung einer Messcharakteristik

In der Praxis treten bei der Messung realer Größen aufgrund verschiedener messtechnischer

Probleme, den Materialeigenschaften von Messwertaufnehmern und/oder Umwelteinflüssen

„Artefakte“ auf, die in der anschließenden Wandlung berücksichtigt und, falls möglich,

kompensiert werden müssen.

51


4.4.1 Static characteristics

Calibration curves indicates the static characteristic properties (see schematics)

These curves give the most important behavior of sensors: the relationship between the output

signal (S) and the measurand (M).

Sensitivity is defined as the slope of the former function. In linear ranges, it is a constant (see

below).

FSO stands for full-scale output of the sensor. This is the maximum (or nominal) output signal.

Linearity is the closeness of a sensor's calibration curve to a specified straight line. It is

expressed as a percent of FSO, which means the maximum deviation of any calibration point

from the corresponding point on the specified straight line The limit of detection is the lowest

value of measurand that can be detected by the sensor. Resolution is the smallest increment in

the output, given in percent FSO. The zero-measurand output ("the zero" or offset) is the

output when the zero measurand is applied. Zero shift (or drift) is a change in the zeromeasurand

output under specified conditions.

Quelle: www.sensedu.com

52


4.4.2 Abweichungen vom Idealverhalten im Überblick

Ideales Sensorverhalten mit E = Empfindlichkeit

53


Quelle: Lehrstuhl für Feinwerktechnik (FWT), TU Kaiserslautern

4.4.2.1 Anmerkungen zur Hysterese

Hysteresis character

Hysteresis is the maximum difference

in output, at any measurand value

within the specified range, when

the value is approached first with an

increasing and then with a

decreasing measurand. It is also

given in percent FSO.

Quelle: www.sensedu.com

55


Mechanische Hysterese: Bleibende

Deformation (x) nach Belastung F (ändert sich

mit der Last F); z.B. Federmaterial oder

Einspannung sind überlastet.

4.4.3 Other important features for sensors

Magentische Hysterese: Bleibende Magnetisierung BR, wenn das

von außen an einen ferromagnetischen Körper angelegte

magnetische Feld der Feldstärke H gegen Null abfällt (H → 0);

d.h. BR: Remanenzfeld bzw. HC: Koerzitivfeld gehen bei großer

vorausgegangener Aussteuerung nicht auf Null zurück; allgemein

bei magnetischen Materialien. B: Magnetfeldstärke im

Ferroelektrikum (die prop. zur Magnetisierung M des

Ferroelektrikums, d.h. auch prop. zum magnetischen

Dipolmoment des Ferroelektrikums pro Volumeneinheit ist).

Repeatability (sometimes called reproducibility) is the ability of a sensor to reproduce output

readings when the same measurand value is applied to it consecutively, under the same

conditions, and in the same direction.

Interchangeability means the maximum possible error of the measurements when an

individual sensor device is changed within the measurement appliance for another one of the

same type.

The response time is the length of time required for the output to rise to a specified

percentage (generally 90%) of its final value (as a result of a step change in measurand).

Selectivity means the suppression of the environmental interference. The ideal sensor will only

respond to changes in the measurand. However, in practice, sensors can also respond to

changes in other quantities, for example temperature. These cross-effects can be eliminated by

compensation or multisensor operation.

Lifetime is also an important property of sensors; it is the length of time that they remain

sensitive under normal operational conditions.

Static character schematic Hystheresis character schematic

Quelle: www.sensedu.com

56


5 Thermodynamische Grundlagen der Sensorik

5.1 Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Die von einem System mit seiner Umgebung ausgetauschte Summe von Arbeit und Wärme ist

gleich der Änderung der Inneren Energie des Systems. (Damit ist der 1. Hauptsatz eine

mögliche Formulierung des Energieerhaltungssatzes.)

dU = δW + δQ (+ µdni)

[U] = J (Joule)

mit

U: Innere Energie

W: mechanische Arbeit oder eine andere Form von Arbeit (z.B. elektrische Arbeit,

elektrochemische Arbeit, ...)

Q: Wärme

µ: chemisches Potential (siehe weiter unten)

ni: Stoffmenge einer das System aufbauenden Komponente i

Arbeit und Wärme unterscheiden sich darin, dass Arbeit eine gerichtete Energieform ist (also

vektoriell dargestellt werden kann), Wärme dagegen eine ungerichtete (statistische) Form von

Energie.

U = f(T, V, (n1, n2, ..., nk))

Die Innere Energie eines Systems ist (wie z.B. das Volumen V oder der Druck p) eine

Zustandsfunktion, d.h. sie ist nur vom gegenwärtigen Zustand des Systems abhängig, aber

unabhängig davon, wie dieser Zustand erreicht wurde (d.h. auf welchem Weg dieser Zustand

erreicht wurde). M.a.W., der Inneren Energie eines Systems ist es gewissermaßen „egal“,

welche Energieform sie gespeist und damit zu ihrem aktuellen Wert geführt hat, sei es z.B. über

Wärmezufuhr, Zufuhr von elektrischer Energie oder durch Verrichtung von Arbeit an dem

betrachteten System. Infinitesimale (d.h. unendlich kleine) Änderungen von Zustandsfunktionen

werden über den Buchstaben „d“ gekennzeichnet. Dies bringt die „Wegunabhängigkeit“ von

Zustandsgrößen bzw. Zustandsfunktionen zum Ausdruck. Dies hat zur Folge, dass sich

Zustandsfunktionen als „vollständiges“ oder auch „totales“ Differential darstellen lassen. (D.h.

bei der Integration einer solchen Funktion (z.B. dU) muss als Integrationsgrenze lediglich der

Anfangszustand und der Endzustand angegeben werden, nicht aber der genaue Weg, auf dem

der Endzustand erreicht wurde.) Im Gegensatz dazu wird Funktionen, deren Wert vom Weg

abhängig ist (wie z.B. die Arbeit W oder die Wärme Q), ein kleines griechisches delta „δ“ bei

infinitesimalen Änderungen vorangestellt, um damit ihre „Wegabhängigkeit“ zum Ausdruck zu

bringen. (Alternativ werden diese Größen durch kleine Buchstaben gekennzeichnet. Allerdings

werden häufig auch „molare“ Größen (d.h. eine Größe pro Mol) klein geschrieben.) (Das große

griechische Delta „∆“ kennzeichnet nicht-infinitesimale Differenzen.)

57


Einschub: Erläuterung der mathematischen Notation für ein totales Differential:

Quelle: P. W. Atkins, Physikalische Chemie, VCH

Wäre die Innere Energie keine Zustandsfunktion, dann ließe sich durch einen Kreisprozess mit

unterschiedlichen Hin- und Rückwegen ein perpetuum mobile erster Art herstellen, d.h. Energie

aus dem „Nichts“ erzeugen. (Gedankenexperiment: Bergwanderung über zwei verschieden

lange Wege.)

5.2 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Es gibt keine periodisch funktionierende Maschine, die nichts anderes tut, als Wärme in

mechanische Arbeit zu verwandeln: Unmöglichkeit eines perpetuum mobile zweiter Art. es ist

also nicht möglich, kontinuierlich Wärme aus einem kälteren Arbeitsspeicher in einen wärmeren

abzugeben oder Wärme vollständig in Arbeit umzuwandeln.

Ausdruck findet der 2. Hauptsatz in der Definition der Entropie S (die ebenfalls eine

Zustandsfunktion ist) und als „Maß für die Unordnung“ oder als „Tendenz zur Gleichverteilung“

58


in einem abgeschlossenen System (d.h. ohne Energie- und Massenaustausch) betrachtet

werden kann. Sie ist gegeben durch den Quotienten aus zu- oder abgeführter Wärmemenge δQ

und der Temperatur T (absolute Temperatur in Kelvin), bei der der Wärmeaustausch mit der

Umgebung erfolgt:

dS ≥ δQ/T

[S] = J/K (Joule pro Kelvin)

wobei das Gleichheitszeichen für reversible (d.h. vollständig umkehrbare Prozesse, die i.d.R.

unendlich ablaufen müssen) gilt, wogegen die Entropie immer zunimmt, sobald ein irreversibler

Teilschritt in dem betrachteten (Umwandlungs-)Prozess auftritt. M.a.W.: Die Gesamtentropie

kann in einem abgeschlossenen System nie abnehmen, sondern bei vollständig reversiblen

Vorgängen bestenfalls konstant bleiben.

Vorgänge, bei denen die Entropie zunimmt, verlaufen von selbst (Selbstorganisation), können

aber nicht ohne anderweitigen Aufwand von Energie rückgängig gemacht werden. Beispiel: Fällt

ein Glas Wasser (bei Raumtemperatur) um, so wird sich immer spontan und irreversibel das

Wasser über den Boden ergießen (Schaffung von „Unordnung“; umgekehrt ist bisher nie

beobachtet worden, dass sich ergossenes Wasser „von sich aus“ wieder im Glas sammelt.

5.3 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Der Absolutwert der Entropie wird festgelegt durch den 3.Hauptsatz der Thermodynamik, der

besagt, dass die Entropie am absoluten Nullpunkt der Temperatur null ist.

S = 0 J/K für T = 0.

5.4 Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Alle Systeme, die sich mit einem gegebenen System im thermischen Gleichgewicht befinden,

stehen auch untereinander im thermischen Gleichgewicht – unabhängig von der

Zusammensetzung der Systeme. Diese Systeme haben eine gemeinsame Eigenschaft, sie

haben dieselbe Temperatur. (Für Temperaturmessungen heißt das: Es muss ein thermisches

Gleichgewicht zwischen Umgebung und Sensor abgewartet werden, bis der Sensor die

Temperatur der Umgebung zuverlässig anzeigen kann.)

Zusammenfassung

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die thermodynamische Formulierung des

Energiesatzes, nach dem Wärmeenergie und mechanische Energie wechselseitig ineinander

umgewandelt werden können: Führt man einem System die Wärmemenge δQ zu und verrichtet

die äußere Arbeit δW, so nimmt die Zustandsgröße innere Energie U um dU zu, und es gilt

dU = δQ+ δW. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) gibt die Richtung der

Energieumwandlungen an: Die Entropie kann in einem abgeschlossenen thermodynamischen

System nur zunehmen oder (bei reversiblen Prozessen) höchstens gleich bleiben. Aus beiden

Hauptsätzen folgt die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile. Nach dem 3.Hauptsatz der

Thermodynamik (nernstsches Wärmetheorem) nimmt die Entropie eines thermodynamischen

Systems bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt der Temperatur einen von Druck,

Volumen u.a. Größen unabhängigen Wert (null) an, das heißt, der absolute Nullpunkt ist nicht

erreichbar. Als nullter Hauptsatz der Thermodynamik wird zusätzlich oft die grundlegende

59


Aussage bezeichnet, dass zwei Systeme, die im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten

System stehen, sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht befinden. Daraus folgt

die Existenz der Temperatur als neben den mechanischen Größen (Druck, Volumen) neue,

intensive Zustandsgröße, die in Gleichgewichtssystemen überall gleich ist.

Quelle: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2004

5.5 Verknüpfung von Wärme und Temperatur über die Wärmekapazität

dQ = C·dT

D.h. die in einem System gespeicherte Wärme ist proportional zur Temperatur. Die

Proportionalitätskonstante ist die Wärmekapazität.

Wird die Änderung der Inneren Energie U bei einer kleinen Temperaturänderung bei

konstantem Volumen (Index V) betrachtet, so ergibt sich die Definition für die Wärmekapazität

bei konstantem Volumen CV:

CV = (δU/δT)V

5.6 Enthalpie

Da in der Realität häufig Umwandlungen und Reaktionen bei konstantem Druck p und nicht bei

konstantem Volumen betrachtet werden (z.B. Reaktionen in offenen Gefäßen, auch solche im

menschlichen Körper), wird eine neue Größe definiert, die die bei konstantem Druck

aufgenommene Wärmemenge eines Systems beschreibt:

H = U + p·V Enthalpie (Reaktionswärme bei konstantem Druck)

Wird die Änderung der Enthalpie H bei einer kleinen Temperaturänderung bei konstantem

Druck (Index p) betrachtet, so ergibt sich die Definition für die Wärmekapazität bei konstantem

Druck Cp:

Cp = (δH/δT)p

5.7 Freie Energie A (F) und Freie Enthalpie G

Werden bei Systemänderungen zwei Umgebungsvariablen konstant gehalten, kommt man zu

zwei neuen Funktionen, mit denen sich derartige Systemänderungen beschreiben lassen:

A = U - T·S Freie Energie, mit der sich Systemänderungen bei T = konstant und V = konstant

beschreiben lassen. (Z.B. Beschreibung von Festkörperreaktionen, weil dort

häufig das Volumen konstant bleibt.)

G = H - T·S Freie Enthalpie, mit der sich Systemänderungen bei T = konstant und

p = konstant beschreiben lassen. (Z.B. Beschreibung von Reaktionen in offenen

Systemen in der Gasphase, weil dort meist der Druck (Umgebungsdruck)

konstant bleibt. Da in der Sensorik die elektronische Struktur für die

Beschreibung von Transporteigenschaften von Bedeutung ist und die Elektronen

als „Gas“ (Elektronengas) beschrieben werden können, ist in solchen Fällen

auch die Freie Enthalpie heranzuziehen.)

60


5.7.1 Richtungen von Reaktionsabläufen

Ein System strebt in der Regel eine Gleichgewichtseinstellung an (z.B. durch

Temperaturausgleich, gleichmäßige Wärmeverteilung, Gleichverteilung von Teilchen über

Durchmischung, ...).

Bei Gasreaktionen gibt die Differenz zwischen Ausgangs- und Endwert der Freien Enthalpie G

Auskunft über die Richtung und Spontaneität der zu erwartenden Reaktion Auskunft.

Wenn ∆G = GEndzustand=2 – GAusgangszustand=1 < 0, dann läuft die Reaktion von System 1 zu System 2

spontan ab. Für ∆G = 0 befinden sich Ausgangs und Endzustand im (thermodynamischen)

Gleichgewicht.

5.8 Chemisches Potential µ

Da sich bei chemischen Reaktionen häufig auch die Stoffmengen (also Molzahlen n) ändern,

bedarf es eines Energieausdrucks, der die dadurch verursachten Änderungen der Inneren

Energie beschreibt. Dazu wird das chemische Potential µ eingeführt; es wird als die Energie

definiert, die zur Erzeugung von einem Mol eines Stoffes i bei konstanter Entropie und

konstantem Volumen erforderlich ist.

dU = TdS – pdV + µdn

Das chemische Potential µi einer das System aufbauenden Komponente i wird meist über die

Änderung der freien Enthalpie bei Änderung der Stoffmenge ni dieser Komponente bei

konstanter Temperatur T, konstantem Druck p und unveränderten Mengen aller anderen

Bestandteile des Systems formuliert:

µi = (δG/δni)T,p,nj≠i

Analog dazu lässt sich das chemische Potential auch über die Freie Energie A beschreiben,

wenn bei konstanter Temperatur und unveränderten Mengen aller anderen Bestandteile des

Systems nicht der Druck, sondern das Volumen zusätzlich konstant gehalten werden:

µi = (δA/δni)T,V,nj≠i

Die Bezeichnung „Potential“ ist in Analogie zu mechanischen Systemen gewählt worden, in

denen Körper in der Richtung abnehmenden Potentials wandern. So ist es das Bestreben

thermodynamischer Systeme, sich in Richtung abnehmender Freier Enthalpie zu verändern.

Sind in einem System zusätzlich geladene Teilchen vorhanden (z.B. Ionen), dann wird das

chemische Potential um den Feldterm µel = -|q|·φ additiv ergänzt. Es handelt sich nun um das

elektrochemische Potential (an einer Schlangenlinie zu erkennen):

µ ~ = µ + µel = µ -|q|·φ

Das elektrochemische Potential µ ~ beim absoluten Temperaturnullpunkt (T = 0 K) wird

Fermienergie genannt; sie entspricht dem Energieniveau, auf dem das Elektron mit der

höchsten Energie bei T = 0 K zu finden wäre. Bei Temperaturen T > 0 ist die Fermienergie in

der Mitte (bei elektrischen Halbleitern in der Mitte der Bandlücke) zwischen Valenz- und

Leitungsband zu finden: EF ~ ½ · (EL + EV).

61


5.9 Wirkungsgrad eines Kreisprozesses (Carnot-Kreisprozess)

Wärmespeicher

Q1 bei T1

Schematische Darstellung des Carnot-Prozesses

Für einen reversiblen Kreisprozess wird der (maximal erreichbare) Wirkungsgrad η beschrieben

über:

η = 1- Q2/Q1 = 1-T2/T1.

Wird T2 festgelegt ((z.B. über den Tripelpunkt von reinem Wasser: die drei Phasen fest, flüssig,

gasförmig stehen bei einem Druck von etwa 6,107mbar und einer Temperatur von 273,16 K,

also bei 0,01 o C, im Gleichgewicht. (Man beachte, dass diese Angabe für einen reinen Stoff gilt,

die Luft muss also abgepumpt werden, um den Tripelpunkt zu messen.)), dann werden Q2 und

Q1 messbar.

5.10 Definition der Temperatur über die statistische Thermodynamik

Wird die mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens mit der Zahl n der Teilchen

multipliziert, ergibt sich die Wärme Q.

Für die mittlere kinetische Energie gilt über den Gleichverteilungssatz der Energie:

2

m × v 3

E = = k × T

2 2

mit k: Boltzmannkonstante

m: Masse der Teilchen

v: Teilchengeschwindigkeit

T: Temperatur

Maschine leistet

Volumenarbeit W=p∆V

Bei Raumtemperatur T = 298,15 K beträgt die mittlere kinetische Energie eines Teilchens damit

0,025 eV = 0,4·10 -19 J.

5.11 Thermodynamik von Festkörpereigenschaften

Die Thermodynamik kann nicht nur auf chemische Reaktionen, die vornehmlich in Flüssigkeiten

und Gasen stattfinden, angewandt werden, sondern ganz allgemein auf alle Systeme wie z. B.

Festkörper. Die Thermodynamik beschreibt in allgemeiner Form jede Energie und

Krafteinwirkung: Die Verknüpfung aller auf einen Festkörper (Kristall) wirkenden Kräfte und

Reaktionen sind in folgender Abbildung angegeben. In den drei Ecken des Dreiecks sind die

extern auf den Festkörper wirkenden Kräfte, die Temperatur T, das elektrische Feld E und der

M

Spannungstensor σij gegeben. In den drei inneren Ecken sind die Resultierenden der externen

62

Wärmespeicher

Q2 bei T2


Kräfte, die spezifische Entropie S, die dielektrische Verschiebung Di und der Verzerrungstensor

M

εij angegeben.

Quelle: Nye, Physical Properties of Crystals, Oxford Science Publications, 1985

Beziehung zwischen thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften eines Kristalls: Bezeichnung der

Eigenschaften und Variablen (oben) und entsprechende Symbole (unten)

63


6 Temperatursensoren

6.1 Temperatur als Messgröße

Praktisch alle physikalischen Eigenschaften sind mehr oder weniger stark temperaturabhängig,

können also prinzipiell zur Temperaturmessung eingesetzt werden; anschaulichstes Beispiel ist

die thermische Ausdehnung bei Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen. Für die Anwendung in

Sensoren besonders interessant und fast ausschließlich verwendet sind temperaturabhängige

Änderungen der elektrischen Eigenschaften, die auf einfache Weise automatisch detektiert und

elektrisch weiterverarbeitet werden können.

6.2 Temperatursensoren im Überblick

Messgerät/-verfahren Ausgangssignal Temperaturbereich in

°C

1. Berührungsthermometer

Thermoelemente

elektrisch

Fe-CuNi Typ L und 1 Spannung -200- 900

NiCr-Ni Typ K und N 0-1300

PtRh10/0 TypS 0-1760

PtRh30/6 Typ 8 0-1820

Widerstandsthermometer elektrisch

Platin-Widerstandsthermometer Widerstand -250-1000

Heißleiter-Widerstandsthermometer -100- 400

Kaltleiter-Widerstandsthermometer 5- 200

Silizium-Widerstandsthermometer -70- 175

Ausdehnungsthermometer

Flüssigkeits-Glasthermometer

mechanisch

Volumenänderung

64

-200 -1000

Flüssigkeits-Federthermometer Volumenänderung -35- 500

Bimetallthermometer Längenänderung -50- 400

Dampfdruck-Federthermometer pneumatisch, Druck -200- 700

2. Strahlungsthermometer elektrisch


Spektralpyrometer in Abhängigkeit vom Empfänger: 20-5000

Bandstrahlungspyrometer - Widerstand, -100 - 2000

Gesamtstrahlungspyrometer - Spannung -100 -2000

Thermografiegeräte - elektrische Polarisation -50 -1500

3. Besondere Temperaturverfahren

Quarzthermometer elektrisch, Frequenz a -80- 250

Flüssigkristalle optisch, Wellenlänge bis 3300

Faseroptische Luminiszenzthermometer

Rauschthermometer

a zeitdiskretes Signal

optisch, Wellenlänge

elektrisch, Spannung

65

bis 400

-269 - 2000

Erläuterungen: Ein Bimetall ist ein Metallstreifen aus 2 Schichten unterschiedlichen Materials. Die besondere

Eigenschaft ist die Formveränderung (Biegung) aufgrund unterschiedlicher Längenausdehnungkoeffizienten der

beiden Metalle. Wegen seiner temperaturabhängigen Form lassen sich somit Thermometer oder Temperaturschalter

erzeugen. Dazu wird meist ein Ende eines solchen Streifens (z. B. im Thermometer) befestigt; Bei einer

Temperaturveränderung verbiegt sich der Streifen, und das freie Ende verändert seinen Ort.

6.3 Temperaturmessmethoden - Effekte, die sich für die Temperaturmessung

ausnutzen lassen [3]

6.3.1 Thermowiderstände – Thermistoren – Resistance Temperature Detectors (RTD)

Unter dem Thermowiderstands-Effekt wird die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von

der Temperatur verstanden. Je nach Material und Temperaturbereich unterscheiden sich die

Ursachen für die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit und des sich danach einstellenden

Stromflusses. Während bei Metallen mit steigender Temperatur die Zunahme der

Gitterschwingungen die Beweglichkeit der Ladungsträger und somit die elektrische Leitfähigkeit

herabsetzt, ist bei Elementhalbleitern neben den Streumechanismen der zusätzliche Einfluss

der Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte zu berücksichtigen.

Als Streuzentren für Ladungsträger im Festkörper wirken Phononen, ionisierte und neutrale

Störstellen, Leerstellen und Zwischengitterbesetzungen, Versetzungen, Korngrenzen und

Oberflächen sowie die Ladungsträger selbst. So lassen sich keramische Metalloxide mit

geeigneter Kristallstruktur oder Korngrenzenstruktur finden, die eine negative oder eine

positive Charakteristik hinsichtlich ihres temperaturabhängigen elektrischen Widerstandes

aufweisen (NTC,PTC).

In einem isotropen metallischen Leiter wirkt bei Anlegen einer äußeren Spannung an jedem

Punkt eine elektrische Feldstärke, welche die im Leiter frei beweglichen Ladungsträger

beschleunigt und somit einen Stromfluss bewirkt. Der Proportionalitätsfaktor zwischen


elektrischer Feldstärke und Stromdichte ist die elektrische Leitfähigkeit (σ bzw. der spezifische

Widerstand ρ).

U = R·I

R = ρ·l/A = 1/σ·l/A

mit ρ: spezifischer Widerstand (Ω·m) (spezifische Größen immer „pro Länge oder Masse“)

und σ: elektrische Leitfähigkeit (1/Ω·m)

wobei bei mikroskopischer Betrachtung

σ = q·n·u(T) = q·n·(τF·q/m)

mit u (T): temperaturabhängige Ladungsträgerbeweglichkeit

und n: Zahl der Ladungsträger mit der Ladung q pro Einheitsvolumen

und τF: mittlere freie „Flugzeit“ zwischen zwei Stößen

(Siehe auch: Halliday, Resnick, Walker, Physik, Wiley-VCH, S. 764f.)

Für den spezifischen Widerstand lässt sich makroskopisch die folgende

Temperaturabhängigkeit formulieren:

ρ – ρ0 = r0·α·(T-T0)

mit ρ0: spezifischer Widerstand bei einer frei wählbaren Referenztemperatur T0

(20°C = 298,15 K in obiger Tabelle).

und α: empirisch zu bestimmender Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands.

Spezifischer Widerstand ρ einiger Stoffe bei Raumtemperatur (20°C)

Stoff Spezifischer Widerstand ρ [Ω·m] Temperaturkoeffizient α des

spezifischen Widerstands (K -1 )

Silber

Kupfer

Aluminium

Wolfram

Eisen

Platin

Manganin a

Typische Metalle

1,62·10 -8

1, 69·10 -8

2,75·10 -8

5,25·10 -8

9,68·10 -8

10,6 ·10 -8

4, 82 ·10 -8

66

4,1·10 -3

4, 3·10 -3

4,4·10 -3

4.5·10 -3

6,5·10 -3

3.9·10 -3

0,002·10 -3


Silizium, rein

Silizium, n-leitend b

Silizium, p-leitend c

Glas

Quarzkristall

Typische Halbleiter

2,5·10 3

8,7·10 -4

2,8·10 -3

Typische Isolatoren

10 10 -10 14

- 10 16

a Legierung mit besonders kleinem Wert von α.

b Reines Silizium. mit Phosphor bis zu einer Ladungsträgerdichte von 10 23 m -3 dotiert.

c Reines Silizium, mit Aluminium bis zu einer Ladungsträgerdichte von 10 23 m -3 dotiert.

Quelle: Halliday, Resnick, Walker, Physik, Wiley-VCH, S. 760

67

-70·10 -3

Speziell zur Temperaturmessung und -regelung entwickelte PTC- (positive temperature

coefficient) und NTC- (negative temperature coefficient) Thermistoren, d. h. Widerstände mit

positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten (Kaltleiter, Heißleiter), fanden und finden in

der technischen Elektrik breite Verwendung. Ihr Anwendungsbereich ist allerdings meist auf

Temperaturen beschränkt, in denen technische Geräte, Haushaltsgeräte etc. arbeiten.

The name “thermistor” was introduced for temperature sensitive resistors with large temperature

dependency that was found at transition metal oxides. These simple devices are prepared by

ceramic processing technology. Since a negative temperature coefficient of resistance is

observed in semiconductor oxides, such as the precisely controlled mixtures of the oxides of

Mn, Co, Ni, Cu, and Zn, these sensors were named NTC-thermistors. PTC-thermistors have

opposite type characteristic, which is resulted in by the temperature dependent electrical

properties of grain boundaries in doped piezoelectric (e.g. BaTiO3) ceramic materials. The steep

increases of resistance of the latter type make them particularly useful as self-regulating heating

elements, current limiting devices, etc.

Beispiel für einen Thermistor mit positivem

Temperaturkoeffizienten. Anwendung: Selbstregulierende

Heizelemente oder Strombegrenzer.

Beispiel für einen Thermistor mit negativem

Temperaturkoeffizienten. TCR: „temperature coefficient

of resistance“. B: Empirische Konstante. Anwendung:

Schalter, da ∆R↑ bei ↓∆T. (Exponentialfunktion e x , mit x ≠

const.) Quelle: www.sensedu.com effects/thermal


68

effects/thermoresitive phenomena page 1

In einem weiteren Temperaturbereich einsetzbar und daher für physikalische Experimente

interessanter (aber auch teurer) sind Platin-Widerstände mit besonderen Spezifikationen (Pt

100), die eine sehr ausgeprägte, gut definierte und dokumentierte Temperaturabhängigkeit

zwischen etwa 10 K und 1000 K aufweisen. Alle PT100-Sensoren haben 100 Ohm

Innenwiderstand und alle PT1000-Sensoren einen Innenwiderstand von 1000 Ohm. Diese

Werte gelten bei 0°C. Der Temperaturkoeffizient der Sensoren ist einheitlich 3850 ppm/K. Das

heißt der Innenwiderstand des Sensors ändert sich bei 1 Grad Temperaturänderung um

0,385%.

Interpolationsinstrument, z.B. Platindraht höchster Reinheit zur Widerstandsmessung und

Temperaturberechnung R100/R0=1,385 (wobei die Indizes hier auf die Temperatur verweisen) in

Deutschland gebräuchlich, leicht legiertes Pt ist wesentlich stabiler gegen Diffusion von

Fremdstoffen als hochreines Pt mit R100/R0 > 1,391...1,392. In einem

Platinwiderstandsthermometer kann der Widerstand als Funktion von T über

2 3

R R = 1+

At × + Bt × + Ct × +K

t 0

beschrieben werden.

FürR100/R0 = 1,385 gilt:

A = 3.908 • 10 -3 1/K

B = - 0.578 • 10 -6 K -2

Für tiefe Temperaturen (1 K bis 100 K) geeignet sind Kohle-Widerstände und spezielle

Halbleiter-Widerstände (Ge) oder -Dioden (Si), die man auch mit genauer, individuell erstellter

Eichung (dann sehr teuer) kaufen kann.

6.3.1.1 Messaufbau für den Einsatz von Thermowiderständen

Hochgenaue Widerstandsmessungen lassen sich nur mit

1) Brückenschaltung und

2) Konstantstromquelle und Spannungsmessgerät

realisieren.

Die Wheatstone'sche Brücke ist ein sehr bequemes Hilfsmittel für die Messung von

Widerständen.


Verschaltung von Widerständen in einer Wheatstone’schen Brückenschaltung. Gemessen wird der Brückenstrom IB.

Quelle: http://www.unibas.ch/phys-ap/vers36/vers36.htm

Der unbekannte Widerstand Rx wird mit drei Widerständen R1, R2 und R3 zu einem Kreis

zusammengeschaltet. Zuerst wird die Brücke abgeglichen, d.h. im Brückenzweig BB' die

Stromstärke auf Null eingeregelt. Dies kann beispielsweise durch Variieren von R3 geschehen.

Brückenstrom IB = 0 bedeutet, dass zwischen B und B' keine Spannung vorhanden ist. Das

Kirchhoff’sche Maschengesetz* für die beiden Maschen der abgeglichenen Brücke lautet:

Der unbekannte Widerstand Rx bestimmt sich hieraus zu

was bedeutet, dass zur Bestimmung des unbekannten Widerstandes Rx ein Widerstand

gegeben und das Verhältnis der beiden anderen bekannt sein muss. Voraussetzung für eine

Präzisionsmessung ist eine hohe Güte der verschalteten Widerstände.

*Beim Durchlaufen einer Masche (also einer geschlossenen Schleife) in einem willkürlich festgelegten Umlaufsinn ist

die Summe aller Spannungen gleich null.

Bei der Temperaturmessung mit Widerständen ist – insbesondere bei tiefen Temperaturen –

darauf zu achten, dass die zur Messung benötigte Leistung und damit die Wärmezufuhr

möglichst gering ist. A RTD is a resistance device and it needs measuring current to generate a

useful signal. Because this current heats the element above the ambient temperature (P = I 2 ·R),

errors can turn up, unless the extra heat is dispersed. This forces us to choose a small-sized

resistance device with fast response or a larger resistance device and better heat release. A

second solution is to keep the measuring current usually between 1 mA and 5 mA.

69


6.3.1.2 Thermowiderstands-Effekt in Metallen

Resistance temperature detector (RTD) is the commonly used term for temperature sensors the

operation of which are based on the positive temperature coefficient of metals. For many

metals, the resistivity via temperature characteristic, ρ(T), is approximately linear within a limited

range.

The above phenomenon can be exploited in temperature sensors made of metal wires, as well

as of thin- and thick-film materials. The largest and most reproducible TCR values can be found

in materials that are free from impurities and defects. Platinum RTDs are the most known and

well-standardized types, but other metals, such as copper and nickel, are also used in low-cost

applications.

Links: Spezifischer Widerstand von Kupfer in Abhängigkeit von der Temperatur. Zur Orientierung ist derjenige Punkt

der Kurve eingezeichnet, welcher der Raumtemperatur (T0 = 293 K) entspricht. Der spezifische Widerstand von

Kupfer beträgt bei dieser Temperatur ρ0 = 1,69 · 10 -8 Ω· m. Quelle: Halliday, Resnick, Walker, Physik, Wiley-VCH, S.

761. Rechts: Cartoon der Messanordnung mit TCR: „temperature coefficient of resistance“. Quelle:

www.sensedu.com effects/thermal effects/thermoresitive phenomena Page 2

Typische Thermistorbauarten: Schema eines vinyl-gekapselter Thermowiderstand am rechten Ende eines

Mikrophonkabels (links). Andere Bau- und Kapselarten (rechts). Quelle: www.omega.com/temperature;

www.sensedu.com effects/thermal effects/thermoresitive phenomena Related Topics/Thermistors

70


Moderne miniaturisierte Bautypen in Dünnfilm- oder Dickfilmtechnik auf Keramik für Pt-Thermowiderstände. Auf

einen spannungsfreien Aufbau muss geachtet werden, da der Sensor kein Dehnmessgerät sein soll. Quelle:

www.sensedu.com effects/thermal effects/thermoresitive phenomena Related Topics/resistance thermometers

Platin-Widerstandsdraht wird manchmal gekapselt, da sich sein Widerstand empfindlich auf

eindringende Fremdsubstanzen ändert. Aufbau: eine Platindrahtwendel wird um zwei gekreuzte

Glimmerstreifen gewickelt und in ein evakuiertes Glasrohr eingeschmolzen (veraltet).

Neuerdings: Dünnfilm oder Dickfilm auf Keramik.

Billiger: Ni ( nichtlinear )

Cu ( kleine Empfindlichkeit, kleiner Messbereich )

Eine übliche Verstärker-Messschaltung für Pt-Widerstandsthermometer ist im nachfolgend

skizziert als Alternative zu einer Wheatstone’schen Brückenschaltung.

Aufbau einer gängigen Messschaltung für Pt-Widerstandsthermometer

71

⎛ R2


U A =


⎜1

+ × RMess

× I

R ÷

⎝ 1 ⎠


Beispiel für ein Oberflächenthermometer. Quelle: www.sensedu.com Application/industrial/quality and test

6.3.1.3 Thermowiderstandseffekt in (dotierten) Halbleitern

Other temperature sensitive resistors made of crystalline materials, mainly of silicon, have also

been developed. Devices based on the closely linear PTC behaviour characteristic for slightly

doped silicon found application in integrated microelectronic circuits. The structure of the socalled

spreading resistance thermometer is shown in this animation. The resistance is practically

measured between two strongly doped diffusion islands as two resistor elements between the

latter ones and the highly doped film on the bottom, as shown in the figure. Because of applying

silicon processing, the elements may show very good reproducibility.

72


Quelle: www.sensedu.com Measuring

parameters/thermal/spreading resistance thermometer

73

Ausbreitungswiderstand an Kontakten

a) zentralsymmetrische Feld- und Stromverteilung

b) "Einspitzenmethode"

c) Realstruktur eines Si-Temperatursensors auf Basis

des Ausbreitungs-Widerstandes

Quelle: http://www.michaelmuth.de/lectures/TempSens/chap05.html#a02

6.3.2 Thermoelektrischer Inhomogen-Effekt: Seebeck-Effekt (1822) in

Thermoelementen - Thermocouples

Thermoelemente nutzen die materialspezifische Temperaturabhängigkeit der

Ladungsträgerverteilung in Metallen oder Halbleitern aus. Diese Eigenschaft wird Seebeck-

Effekt genannt (Thomas Johann Seebeck, dt. Physiker, 9.4.1770 – 10.12.1831): In einem aus

zwei verschiedenen, homogenen Leitern gebildeten Stromkreis entsteht eine Thermospannung

US, wenn die Lötstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die Thermospannung ist der

Temperaturdifferenz proportional, wobei der Proportionalitätskoeffizient als differentielle

Thermokraft = Seebeck Koeffizient = Empfindklichkeit = thermopower = thermoelectric power

bezeichnet wird.


www.sensedu.com effects/thermal effects/thermoelectic effect

A thermoelement (also called thermocouple) is a junction of two conducting (metal or

semiconductor) materials, A and B, electrically connected at a "hot" point of temperature, T1.

The nonconnected ends of both legs are kept at another temperature T0 ("cold" point). In the

open circuit case, the net current flow through the thermoelement is zero and a thermoelectric

or Seebeck voltage can be observed between the thermocouple leads at the cold point.

For small temperature differences, this can be approximated as: US = (αA - αB)·(T1 – T0) =

αA/B·(T1 – T0) where αA and αB denote the Seebeck coefficients (thermopower or thermoelectric

power) of materials A and B.

They express specific transport properties, determined by the band structure and the carrier

transport mechanisms of the materials. US is always created in an electrically conducting

material when a temperature gradient is maintained along the sample, but it can not be

observed with two legs of the same material for reasons of symmetry. Thermocouple sensor

types are widely used in the practice. They are standardized and many types are available using

both precious and base metal wire pairs.

Zwei mit einander verbundene Metalle erzeugen an der Kontaktstelle (aufgrund

unterschiedlicher Elektronenmobilität) einen Spannungsabfall.

Thermoelemente benötigen immer eine Referenztemperatur T0. Referenzpunkte bilden

beispielsweise:

• Eis - Wasser - Gemisch

• elektronischer Thermostat

• elektronischer Temperatursensor mit kalibrierter Ausgangsspannung für übliche

Umgebungstemperatur.

• Umgebungstemperatur für ungenaue Hochtemperaturmessung

74


Obwohl der thermoelektrische Effekt (Thermokraft) im Allgemeinen in Halbleitern größer ist,

werden aus praktischen Gründen geeignete Kombinationen aus verschiedenen Metallen oder

Metall-Legierungen verwendet. Definiert wird die

Empfindlichkeit (Thermokraft): kth = dUth/dT [µV/K]

Einige gebräuchliche Thermopaare sind in nachfolgender Tabelle zusammengestellt.

Thermopaar Temperaturbereich

75

Diff. Thermospannung =

Seebeck-Koeffizienten bei 0°C

Gold Eisen – Nickel Chrom -270°C. . . 0°C 20 µV/K

Kupfer – Konstantan -200°C. . . 600°C 40 µV/K

Eisen – Konstantan -200°C. . . 900°C 52 µV/K

Nickel Chrom – Konstantan 0°C. . . 1000°C 63 µV/K

Nickel Chrom – Nickel -200°C. . . 1370°C 40 µV/K

Platin Rhodium – Platin 0°C. . . 1750°C 55 µV/K

Wolfram Rhenium 5 – 26 0°C. . . 2500°C 10 µV/K

Eisen - Platin 18 µV/K

Nickel -Platin -18 µV/K

Eisen - Nickel 36 µV/K

Typischer Anwendungstemperaturbereich und differentielle Thermospannung gebräuchlicher Thermoelemente.

Die Vorteile von Thermoelementen liegen in ihrem großen Anwendungstemperaturbereich, ihrer

relativ einfachen Handhabung und dem günstigen Preis. Nachteilig ist das geringe elektrische

Signal, das ein empfindliches Messgerät bzw. eine stabile Verstärkung erfordert, und die

Notwendigkeit einer Referenzstelle (Eisbad) mit definierter, konstanter Temperatur.

Bei der Herstellung von Thermoelementen ist insbesondere auf guten elektrischen Kontakt

zwischen den beiden Materialien zu achten (Punkt- oder Mikroschweißung). Teure

Thermoelemente können mit Ausgleichsleitungen angeschlossen werden. Genauer ist dies in

den Datenblättern der Hersteller beschrieben, die meist auch ausführliche Tabellen der

temperaturabhängigen Thermospannungen enthalten.

Einschub:

Anders als die Widerstandsthermometer sind diese unempfindlich gegen Eindiffusion von

Fremdsubstanzen in die Verbindungsstelle.


Thermoelement und Prinzip Messanordnung

Dieser Spannungsabfall ist nicht direkt messbar, da die Drähte 1 und 2 am Messgerät an die

Messbuchsen des Materials 3 angeschlossen werden.

Thermoelement mit Verbindungsspannungen

Sofern die Klemmen des Instruments auf gleicher Temperatur liegen, gehen diese und das

Material der Anschlussklemmen nicht in die Messung ein.

Es gilt: k31 = -k13

k12 + k23 + k31 = 0

Forderung: TB=TC

Die Summe aller kij in einem Kreis ist Null ( Energiesatz ). Falls alle Temperaturen gleich sind,

darf kein Strom fließen. .

∆U12 = k12 • TA

∆U23 = k23 • TB

∆U31 = k31 • TC

U

U

Meß

Meß

= ∆U

= k

= ( k

= -k

= k

31

12

T

31

12

31

+ k

T

( T

+ ∆U

+ k

B

A

23

23

+ k

) T

12

− T

Spannung am Thermoelement

Beispiel:

C

12

B

T

B

T

)

+ ∆U

B

+ k

+ k

A

12

12

23

T

T

A

A

(wegen T

B

= T

76

C

)


1. Ein Punkt als Spannung = Null definieren (meist eine Seite des Messinstrumentes) und einen

Verbindungspunkt als Temperaturbezug definieren (z.B. Punkt B). Temperaturbezug

elektronisch oder durch Eiswasser stabilisieren.

2. An allen Kontaktstellen zweier verschiedener Metalle wird deren Temperatur und erzeugte

Spannungsdifferenz mit Richtungspfeil geschrieben.

3. Aufsummieren, welche Spannung am Instrument erscheint.

Typische Anordnung:

Messanordnung für Thermoelementmessung

Ende Einschub

6.3.2.1 Bauarten von Thermoelementen

Die beiden metallischen Leiter bilden ein Thermopaar. Sie sind an der Kontaktstelle, der

Messstelle verschweißt, verlötet oder verschraubt. Durch das Einwirken von Gasen, Dämpfen,

Fett oder Metallspänen (besonders bei hohen Temperaturen) entstehen Inhomogenitäten in den

Thermopaaren und damit zusätzliche Thermospannungen und Korrosion. Deshalb werden die

Thermoelemente oft von einem Schutzrohr aus Metall oder Keramik geschützt. Deren

Wärmekapazität hat natürlich einen Einfluss auf die Einstellzeit.

• Miniatur-Mantel-Thermoelement: Das Thermopaar ist in einem pulverförmigen Isolator

eingebettet und von einem Metallmantel umgeben. Der Mantel lässt sich biegen und

ermöglicht eine Temperaturmessung auch an schwer zugänglichen Orten.

• Tauchthermoelemente: Für kurzzeitige Temperaturmessungen in Stahlschmelzen

(1350°C). Die Stahlschmelze schmilzt beim Eintauchen ein kleines Stahlblech, das die

Messstelle schützt und bildet dann den Kontakt zwischen den beiden

Thermopaarschenkeln.

• Folienthermoelemente: Sie werden auf das Messobjekt aufgeklebt (Philips)

• Serieschaltung von Thermoelementen: Führt zur Erhöhung der Empfindlichkeit

(Strahlungspyranometer)

77


Prinzipielle Bauweisen von Thermoelementen (oben) und einige Beispiele (unten). Quelle: www.sensedu.com

effects/thermal effects/thermoelectic effect + Related topics/thermoelements

6.3.3 Peltier-Effekt (1834)

Wird eine Thermoelement-Anordnung in „umgekehrter“ Richtung betrieben, d.h. statt eine

Temperatur anzulegen und eine Spannung zu messen, eine äußere Spannung an die beiden

Metallarme anzulegen, so kann, je nach Richtung der angelegten Spannung, die Kontaktstelle

der beiden Materialien erwärmt oder abgekühlt werden. Diese Umkehrung des

Thermoelektrischen Inhomogen-Effektes wird Elektrothermischer Inhomogen-Effekt genannt

und ist als Peltier-Effekt bekannt. (Jean Charles Athanasa Peltier, fr. Physiker, 22.2.1785 –

27.10-1845)

Fließt in einem aus zwei verschiedenen homogenen Leitern gebildeten Kreis ein Strom, so wird

den Lötstellen je nach Stromrichtung Wärme zugeführt bzw. entnommen (Peltier-Wärme). Die

erzeugte bzw. absorbierte Wärmemenge ist der fleißenden Stromstärke direkt proportional,

wobei der Proportionalitätsfaktor als Peltier-Koeffizient bezeichnet wird. Einsatz bei

Kühlelementen. Der Temperaturunterschied kann bis zu 73°C bei einem einfachen Element und

bis zu 100°C bei mehrstufigen Elementen betragen.

78


79

Um eine hohe Kälteleistung zu erhalten, müssen die

einzelnen Peltier-Elemente thermisch parallel und

elektrisch seriell geschaltet werden.

Die diagonale Optimum-Gerade Q 0 / Q max korrespondiert mit der maximalen Kühlkapazität, die das gewählte

Element erreichen solI. In dem Leistungs- Diagramm ist der Schnittpunkt der horizontalen Linie .

∆T /∆T max und der diagonalen Optimum-Geraden Q 0 / Q max das Optimum. Der Schnittpunkt der horizontalen Linie

mit der vertikalen Achse ist das Maximum des Wertes Q 0 / Q max. Zur Bestimmung des Optimums und des

Maximums der Kühlkapazität für das vorgesehene Element dividiere man den errechneten Wert der

Gesamtwärmeleistung durch den aus dem Diagramm entnommenen relativen Wert.

Nach der Allgemein-Spezifikations-Liste wählt man ein Element aus, mit Q max größer als das Maximum

Q max, aber kleiner als das Optimum Q max.

Es ist empfehlenswert, dass das gewählte Element mit einem Q max nah bei dem Optimum Q max liegt, weil sich

dadurch ein besserer Wirkungsgrad ergibt.

Ein Element, dessen Q max nah zum Maximum Q max liegt, ist zwar preiswerter, hat aber im Ergebnis eine kleinere

Kühlkapazität.


Peltier - Elemente sind thermoelektrische Elemente (TE), die als Wärmepumpe arbeiten. Quelle: http://www.quickohm.de/peltier/erlauterung.html

Peltier-Elemente haben einen schlechteren Wirkungsgrad als herkömmliche Kompressor-

Kühlschränke. Nun muss der Wirkungsgrad bei der Auswahl eines Kühlsystems nicht so wichtig

sein, sondern weitere Eigenschaften können entscheidend sein. Auf diese wird im folgenden

Abschnitt kurz eingegangen.

Im Gegensatz zum Kompressor-Kühlschrank besitzt eine Peltier-Kühlung keine bewegten Teile.

Deshalb ist diese geräuschlos und vibriert nicht. Peltier-Elemente besitzen auch kein

Gasführungssystem das leck werden könnte. Zum Betrieb einer solchen Kühlung ist nur eine

tiefe Betriebsspannung nötig, was beim Betrieb mit einer Autobatterie von Vorteil ist. Von großer

Bedeutung ist die äußert präzise Regulierbarkeit (Beim Kompressorkühlschrank existieren meist

nur die zwei Zustände Ein oder Aus.) Peltier-Elemente kann man auch sehr klein bauen. Die

Kleinsten sind so groß wie eine Bleistiftspitze und können phantastische Kühlleistungen von bis

zu 40 W Wärmeabtransport pro m 2 erreichen.

Messbereich: Temperatur: -270°C bis 1760°C (Typ-abhängig); spezielle bis

3000°C

Thermospannung zwischen 6 bis 53 µV/K (Typ-abhängig , siehe

Tabelle 1)

Genauigkeit/Fehler: Temperaturtoleranz des Thermopaares (siehe Tabelle 1 unter

Grenzabweichung)

Fehlergrenze des Vergleichsstellen-Thermostaten oder der

Vergleichsstellen-Korrektionsspannungsquelle [etwa +/- 0.1°C]

80


Ungewollte Thermospannungen an Kontaktstellen im

Messkreis [+/- einige µV]

Fehlergrenzen und Auflösung des Spannungsmessers im

entsprechenden Messbereich beachten

Das Thermoelement darf mit dem Messobjekt nur so viel

Wärme austauschen, damit keine Temperaturverfälschung

eintritt. Die Ansprechzeiten sind von der Baugrösse abhängig

und liegen zwischen 1s und 1ms

Die Messeinrichtung sollte möglichst hochohmig sein. Die

Eingangsfehlspannung (Nullpunktsfehler) des

Spannungsmessers muss sehr klein sein. Übertemperatur

bewirkt kristalline Veränderungen, was zu einer Veränderung

der Thermospannung sowie zur Korrosion und Verminderung

des Isolationswiderstandes führt.

Bauformen: Zylindrisch mit Durchmessern von 0.3mm bis einige mm.

Unzählige Bauformen erhältlich für Anwendungen im industriellen

Bereich (Chemie,

Verfahrenstechnik). Meist werden im industriellen Umfeld genormte

Thermoelement-formen und Schutzrohre verwendet.

Kosten: Klasse 1: ab €. 25 (Einzelstück)

Klasse 2: ab € 7

Vorteile: Großer Messbereich, gute Linearität, Robustheit, Langzeitstabilität

der Kennlinie,

geringe Kosten, Möglichkeit der punktförmigen

Temperaturmessung.

Nachteile: Kleine Messspannungen, die durch unerwünschte

Thermospannungen im Messkreis

gestört werden. Oft ist ein Vergleichsstellen-Thermostat oder eine

Korrektionsspannungsquelle erforderlich.

Anwendungsbereiche: Temperatur- und Temperaturdifferenzmessungen über sehr grosse

Bereiche,

Strahlungspyranometer, Thermokreuze für HF-Strommessungen

(echte Effektivwertmessungen)

Für verschiedene Materialpaarungen existieren internationale Normen, die Thermospannungen,

Toleranzen, Kennfarben für Elemente, Einzeldrähte, Ausgleichsleitungen und Isolationen,

Einbauformen, Schutzrohre und genormte Messeinsätze. Teilweise bestehen auch nationale

81


Normen. DIN IEC 584 enthält die Grundwerte ihrer Thermospannungen und die Koeffizienten

für ihre Polynomdarstellung.

6.3.3.1 Quellen, Links

Literatur

[1] J.Niebuhr, G.Lindner; Physikalische Messtechnik mit Sensoren; ISBN 3-486-23614-8;

Auflage 1996

[2] U.Tietze, Ch.Schenk; Halbleiterschaltungstechnik; 1999, ISBN 3-540-64192-0, Springer

Verlag

[3] L. v. Körtvelyessy; Thermoelement Praxis; Vulkan Verlag Essen; ISBN 3-8027-2140-3;

Auflage 1987

Hersteller / Distributoren

Heraeus, BRD Thermoelemente http://www.heraeus.de/d/sensors.htm

Omega, USA Thermoelemente http://www.omega.com/temperature/

Thermoest, France Thermoelemente, Kalibrierstelle http://www.thermoest.com/

Sensycon, BRD Thermoelemente http://www.sensycon.de/welco_d.htm

Analog Device Thermoelement-Verstärker http://www.analog.com/product/Product_Center.html

PMR, Austria Thermoelement, Temperatursensoren http://www.pmr.co.at

Maxim Thermoelement-Verstärker http://www.maxim-ic.com/

Allgemeine Infos Temperatursensoren http://www.temperatures.com/

Update:02.02.00 / Autor:Mueller Claudio; Ergänzung: F. Baumgartner 30.07.01 / NTB / Labor

Elektronische Messtechnik

6.3.4 Dioden-Thermoelemente

Semiconductor pn-junctions show an analogous effect as thermocouples. The different electron

band structure at both sides causes a rectifying behaviour of the device. The pn-junction of such

diode has a temperature dependent voltage-current characteristic:

UD = (k·T/e)·In(I/l0),

where UD is the diode voltage; I its current; k the Boltzmann constant; e is the electron charge,

and l0 is the reverse current. If the supply is a constant current source, the voltage is a linear

function of the absolute temperature. This ideal behaviour is only disturbed by the temperature

dependency of l0.

82


Bei Temperaturänderung ändert sich die Steigung im I/U-Diagramm der Diode. Quelle: www.sensedu.com

Structures/semiconductor devices/diode-based.

Multi-emitter transistors can easily be prepared with exact basis-emitter junction area ratio.

Connecting them as diodes that are driven by the same current (using an analog current mirror,

for example), their voltage difference will be independent of the reverse currents, only the area

ratio appears in the result.

Solche pn-Dioden Temperatursensoren haben den Vorteil, miniaturisiert werden zu können.

Eine Anwendung findet sich z.B. in einem transcutanen Blut-Sauerstoffsensor (siehe auch

spätere Vorlesung zu Gassensoren) zur Überwachung der Hauttemperatur.

A new type transcutaneous pO2 sensor structure is presented here, which is based on multilayer

ceramic technology. The electrodes are made by thick film technology using small amounts of

precious metals. The heating element is an integrated thick film resistor and a pn-junction is

used for temperature sensing. The device works on 43.5 °C temperature. The ceramic body

was molded into a plastic package.

83


Aufbau des trancutanen Blut-Sauerstoffsensors (Gassensor) mit Heizelement (Widerstandsschicht) und integriertem

pn-Diodenthermometer.

...

Quelle: www.sensedu.com Measuring parameters/thermal/pn-junction...

6.3.5 Dem Seebeck-Effekt überlagerte Effekte

6.3.5.1 Joule-Effekt (1841)

Erwärmung eines Leiters bei Stromdurchgang (durch innere Reibungseffekte der

Ladungsträger). Die entstehende Wärme ist dem Widerstand des Leiters, dem Quadrat der

Stromstärke und der Zeit proportional. Der Joule-Effekt überdeckt die Benedicks-Effekte und die

Thomson-Effekte.

6.3.5.2 Benedicks-Effekte (1916/1918)

In einem homogenen Leiterstück entsteht eine Thermospannung, wenn längs des Leiters ein

extrem hohes Temperaturgefälle besteht (1. Benedicks-Effekt).

6.3.5.3 Thomson-Effekt (1856)

Dem Seebeck-Effekt überlagert ist der Thomson-Effekt (William Thomson = Lord Kelvin): Fließt

in einem homogenen Leiter ein Strom und herrscht in diesem zusätzlich ein Temperaturgefälle,

so wird je nach Stromrichtung zusätzlich zur Joule’schen Wärme eine Wärmemenge erzeugt

oder absorbiert. Fließt der Strom in Richtung wachsender Temperatur, so wird bei positivem

Koeffizienten Wärme erzeugt, bei negativem Koeffizienten Wärme absorbiert. Bei umgekehrter

Stromrichtung drehen sich die Verhältnisse um. Die erzeugte Wärme ist dem fließenden Strom

und der Temperaturdifferenz proportional. Der Thomson-Effekt wird durch den Joule-Effekt

(Joule’sche-Wärme) verstärkt, der quadratisch vom Strom abhängt.

84


Aus Symmetriegründen muss es einen inversen Thomson-Effekt geben, wobei ein sich

ändernder Temperaturgradient eine Thermospannung erzeugt. Der Effekt ist noch nicht

nachgewiesen. Beide Effekte werden als thermoelektrische Effekte 2. Ordnung bezeichnet.

Diese elektrothermischen homogen-Effekte treten gegenüber anderen Effekten bei metallischen

Leitern zurück, sind jedoch bei Metall-Halbleiterkombinationen zu berücksichtigen. Die

Größenordnung liegt bei einigen Mikrovolt pro Grad.

85


6.3.6 Pyroelektrischer Effekt (Pyro-Effekt)

Pyroelektrika. Fallen bei einer Kristallstruktur bereits im Ruhezustand die Schwerpunkte der

positiven und negativen Ladungen nicht zusammen, so liegt eine spontane Polarisation vor. Die

Folge ist ein polares piezoelektrisches Material, das man dann pyroelektrisch nennt, weil die

spontane Polarisation durch Erhitzen oder Abkühlen verändert wird, was äußerlich am Kristall

feststellbar ist. Selbst bei Temperaturen bis zum Schmelzpunkt bleibt diese Polarisation

erhalten. Ein typisches Beispiel ist dafür der bereits erwähnte Turmalin. Ein Umpolen durch ein

äußeres elektrisches Feld ist nicht möglich, da selbst bei der Durchschlagsfeldstärke des

Materials kein Polarisationsumschlag eintritt. Die Pyroelektrika haben also große Ähnlichkeit mit

den Ferroelektrika. Der Unterschied besteht darin, dass der pyroelektrische Effekt keine Curie-

Temperatur aufweist und nicht umpolbar ist. Es sind sozusagen "besonders stabile

Ferroelektrika".

Quelle: http://www.uni-kassel.de/fb16/fsg/dateien/wde/Skript/WDE_TEIL_09.PDF

Es werden z. B. LiTaO3, Triglyzinsulfat, ferroelektrische Keramiken oder Poly-

Vinylidenfluoritfolien benützt. Der Pyro-Effekt wird zum Erfassen und Messen von

Wärmestrahlung im Bereich von 1 µm bis 40 µm angewendet, wobei dann der gleichzeitig

auftretende piezoelektrische Effekt stört.

Die Umkehrung des pyroelektrischen Effekts ist der elektrokalorische Effekt. Legt man z.B. an

Turmalin ein elektrisches Feld an, so beobachtet man eine Temperaturänderung des Kristalls.

*Ferroelektrische Kristalle zeigen spontane elektrische Polarisation, das heißt, sie sind bereits ohne ein angelegtes

elektrisches Feld polarisiert. In einem Ferroelektrikum kann die Richtung der spontanen Polarisation durch ein

genügend starkes äußeres elektrisches Feld in die Gegenrichtung umgeklappt werden. Die phänomenologischmakroskopische

Beschreibung der Ferroelektrizität steht in Analogie zu der des Ferromagnetismus, es treten

Domänen (Bereiche mit homogener Polarisation) auf. Beim Erhöhen der elektrischen Feldstärke wächst die

Polarisation nur bis zu einem bestimmten Wert (ferroelektrische Sättigung); die Polarisation durchläuft in

Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke eine Hysteresekurve. Atomistisch wird die spontane Polarisation durch

Ionenverschiebung im Kristallgitter verursacht. Quelle: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2004

Jedes Ferroelektrikum ist zugleich pyroelektrisch und piezoelektrisch. (Der piezoelektrische Effekt wird in einer der

folgenden Vorlesungsstunden besprochen.) Das Umgekehrte gilt nicht: Quarz (piezoelektrisch) ist weder

pyroelektrisch noch ferroelektrisch. Zudem gibt es pyroelektrische Materialien, die nicht piezoelektrisch sind.

Außerdem verschwinden die pyroelektrischen Eigenschaften nicht oberhalb der Curie-Temperatur (wie bei den

Ferroelektrika). Quelle: Joachim Schubert, Physikalische Effekte, Anwendungen, Beschreibungen, Tabellen, physik

verlag.

When piezoelectric materials are under stress, the centers of gravity of the positive and

negative charges are separated forming an electrostatic dipole and hence a polarization of the

film. In pyroelectrica and electrets (Elektrete*), the centers of gravity of the positive and negative

charges are separated even without a stress being applied. These will exhibit spontaneous

polarization, which means that there must be permanent electrostatic charge on the surfaces of

the film, with one face positive and another negative, depending on the direction of the

polarization vector.

*Elektret [griechisch, ein Dielektrikum mit permanenter dielektrischer Polarisation. Analog einem

Permanentmagneten bleibt die z.�B. in Harzen in geschmolzenem Zustand durch ein starkes elektrisches Feld

erzwungene Ausrichtung der molekularen Dipole bestehen, wenn nach der Erstarrung das Feld abgeschaltet wird.

Damit sind die zuvor als Dielektrika vorliegenden Materialien ferroelektrisch mit einem permanenten Dipolmoment

geworden. Ihre Polarisation lässt sich durch ein äußeres Feld nicht mehr beeinflussen. Elektrete haben ihre Analogie

in den Permanentmagneten. Beispiele für Elektrete: Nylon und Wachs.

83


The spontaneous polarization will be a strong function of temperature, since the atomic dipole

moments vary as the crystal expands or contracts. Heating the crystal will tend to desorb the

surface neutralizing ions, as well as changing the polarization, so that a surface charge may

then be detected. Thus, the crystal appears to have been charged by heating. This is called the

pyroelectric effect.

Pyroelektrisches Material bei Ausgangstemperatur Pyroelektrisches Material in der Aufwärmphase: Das

Material dehnt sich durch die Temperaturänderung aus.

Dadurch kommt es gleichzeitig zu einer Verschiebung

von Ladungen, die als Strom gemessen werden können.

Die gelben Pfeile geben die Richtung der

Ladungswanderung an.

Pyroelektrisches Material bei höheren Temperaturen: Die

Ladungen haben sich neu verteilt.

84

Pyroelektrisches Material während des Abkühlens: Das

Material polarisiert sich wieder zurück, wobei erneut

Ladungen fließen, die sich als Strom messen lassen.

Quelle: www.sensedu.com

The electric field developed across a pyroelectric crystal can be remarkably large when it is

subjected to a small change in temperature. We define a pyroelectric coefficient, p, as the

change in flux density, D, (D: electric flux density = elektrischer Fluss = dielektrische

Verschiebung= ε0·Ε+ P with ε0 = permittivity of vacuum, E = electric field vector, P = polarization

vector) in the crystal due to a change in temperature, T, i.e.

p =δD/δT.

Using a capacitor, the pyroelectric voltage signal ∆U is


∆U = p·d·∆T/εr·ε0,

where εr·ε0 is the permittivity, and d the thickness of the pyroelectric film. When the temperature

changes, an excess of charge appears on one of the polar faces and a current will flow in the

external circuit. After the initial surge, the current dies away exponentially with time and

eventually falls to zero until another temperature change comes along; this is very similar to the

time-dependent behaviour of piezoelectric materials. Pyroelectric films can be used to detect

any radiation that results in a change in temperature of the film but are generally used for

infrared detection.

Important parameters of the materials are the heat capacity per volume, cth, and the heat

conductivity, gth. In high accuracy measurements and thermovision applications these

parameters have a great importance; they influence the sensitivity and the resolution. The Table

lists the most important properties for some pyroelectric materials.

PVDF: Polyvinylidenfluorid . Quelle: www.sensedu.com

Für pyroelektrische Wandler kommen piezoeletrische Materialien in Frage, vor allem

Triglyzinsulfat (TGS), Lithiumtantalat (LiTaO3) und Polymere, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF).

Der eigentliche pyroelektrische Wandler wird hierbei hermetisch dicht gekapselt und der

Wärmestrahleneintritt nur durch das Fenster gestattet. Das Fenster hat wesentlichen Einfluss

auf den Wirkungsgrad und auf die spektrale Empfindlichkeit. Zur Abnahme der

Oberflächenladungen +Q,-Q bzw. der elektrischen Spannung U = Q/C erhalten die betreffenden

Oberflächen einen Metallüberzug, der an der Fensterfläche wärmedurchlässig sein muss.

6.3.6.1 Anwendungsbeispiel: Passiv-Infrarot-Detektoren

These sensors are also useful in environmental systems, lighting controls, visitor announcers,

robotics, and artificial intelligence.

Anwendung finden solche Pyrosensoren beispielsweise in Passiv-Infrarot-Detektoren zur

Personenerfassung. Ein solcher PIR-Detektor ist in folgender Abbildung dargestellt. Die Infrarot-

Strahlung, die von einer den Erfassungsbereich betretenden Person ausgeht, wird über einen

Parabolspiegel auf ein Stück freitragender PVDF-Folie fokussiert. Eine Dicke von 10...25 µm

sorgt für eine kurze Zeitkonstante des Detektors. Vor der Folie ist eine Facettenlinse

angebracht, die das Sichtfeld in diskrete Bereiche einteilt. Sie sorgt dafür, dass die Bewegung

einer Person diskrete Pulse im pyroelektrischen Material auslöst, da es besonders gut auf

Temperaturänderungen anspricht.. Ein PVDF-Kompensationselement, auf das keine IR-

Strahlung fällt, verhindert, dass der Detektor auch bei einer allgemeinen Änderung der

85


Umgebungstemperatur anspricht. Ein typischer Erfassungsbereich eines derartigen Sensors hat

einen Radius von einigen Metern und einen Öffnungswinkel von etwa 20°.

Passiv-Infrarot-Personen-Detektor mit einer pyroelektrischen Polymerfolie. Quelle: http://www.michaelmuth.de/lectures/TempSens/chap06.html#a02_3

und http://www.dbanks.demon.co.uk/ueng/radsens.html

6.3.7 Ausdehnungsthermometer - Temperaturmessgeräte mit mechanischem

Quelle [1]

Ausgangssignal

Zu dieser Gruppe von Temperaturaufnehmern zählen vorwiegend Ausdehnungsthermometer,

bei denen die thermische Ausdehnung eines Feststoffes, einer Flüssigkeit oder eines Gases

direkt zur Messung herangezogen wird (Längenänderung), oder aber Thermometer, bei denen

die „Ausdehnung" eines temperaturempfindlichen Materials indirekt zur Temperaturmessung,

beispielsweise durch eine Druckänderung, herangezogen werden kann.

Ausdehnungsthermometer gibt es seit Galilei. Es handelt sich hierbei um eine lineare Teilung

zwischen zwei Festpunkten:

Fahrenheit (1706): 0° Fahrenheit = Temperatur einer Mischung aus Eis und Salmiak (-17,8 °C);

100° Fahrenheit = "normale Körpertemperatur" des Menschen, was 37,78°C entspricht. Der

Gefrierpunkt des Wassers liegt bei 32 °F, der Siedepunkt bei 212 °F. Quelle: http://www.netlexikon.de/Grad-Fahrenheit.html

bzw.

Celsius (1742): 0°C= Eis / Wasser bei 1 bar, 100°C = Dampf / Wasser bei 1 bar).

Die Temperaturskala ist thermodynamisch definiert über die ideale Gasgleichung:

p·V=n·R·T

p: Druck, V: Volumen, n: Stoffmenge, R: Gaskonstante, T: absolute Temperatur (also in Kelvin)

86


Diese Temperaturskala ist als Definition geeignet, aber zur Messung ungeeignet. Für die

praktische Ausführung haben thermodynamische Thermometer keine Bedeutung erlangt,

jedoch für grundlegende Arbeiten sind einige Verfahren bekannt geworden.

• Flüssigkeitsthermometer bestehend aus einem Reservoir und einer Kapillare. Für

präzise Messungen ist eine Eintauchtiefe in die zu messende Substanz bis zur

gemessenen Temperatur notwendig, d.h. das gesamte Ausdehnungsmaterial taucht ein,

oder eine Korrektur ist erforderlich.

• Stabausdehnungsthermometer, Verwendung zweier Werkstoffe mit ungleichem

Temperaturausdehnungskoeffizienten, z.B. Stahl und Invar.

• Bimetalle, hierbei eine feste Verbindung der beiden Werkstoffe. (Thermometer aus

Urban)

Ausdehnungsthermometer lassen sich bei Außenthermometern und Fieberthermometern

finden, bei denen die temperaturabhängige Dichte der Anzeigeflüssigkeit ausgenutzt wird (z.B.

Alkohole, Quecksilber).

6.3.7.1 Flüssigkeits-Glasthermometer

Messprinzip. Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines Flüssigkeits-

Glasthermometers. Bei diesen Thermometern wird die thermische Ausdehnung einer in einem

Glasgefäß befindlichen thermometrischen Flüssigkeit zur Temperaturmessung ausgenutzt.

Infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Glaskapillare und der in ihr

enthaltenen Flüssigkeit ändert sich die Länge des Flüssigkeitsfadens mit der Temperatur. Als

Temperaturanzeige dient das Ende der Flüssigkeitssäule, das an einer mit der Kapillare

verbundenen Skale ablesbar ist. Die Empfindlichkeit eines Flüssigkeits-Glasthermometers hängt

von den Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeit, vom Kapillardurchmesser und dem

Gefäßvolumen ab.

Flüssigkeits-Glasthermometer (Stabthermometer)

1 Thermometergefäß,

2 Messkapillare,

3 Skale,

4 Expansionserweiterung

Materialien. Die zur Herstellung von Flüssigkeits-Glasthermometern verwendeten Gläser

müssen thermisch möglichst nachwirkungsfrei und chemisch beständig sein. Die höchsten

Verwendungstemperaturen liegen bei den meisten Gläsern bei 400 bis 460°C, bei Supremax-

Glas bei 630 °C und bei Quarzglas bei 1100°C.

87


Bei den verwendeten thermometrischen Flüssigkeiten unterscheidet man benetzende

(organische) und nicht benetzende (metallische) Flüssigkeiten, wobei mit letztgenannten

geringere Messunsicherheiten erreichbar sind. Im Temperaturbereich -38 °C bis 800 °C wird

Quecksilber (z.T. mit Zusätzen) verwendet, oberhalb dieser Temperaturen kommen

Sonderlegierungen, z.B. Galliumlegierungen, zum Einsatz. Für die Messung tieferer

Temperaturen wird eine Quecksilber-Thallium-Legierung verwendet (-38 °C bis -58 °C),

unterhalb dieser Temperaturen müssen benetzende Flüssigkeiten verwendet werden, z.B.:

Pentan, Alkohol, Toluol.

Bauarten. Flüssigkeits-Glasthermometer werden nach ihrer konstruktiven Form als Stab- oder

Einschlussthermometer unterschieden. Bei Einschlussthermometern befindet sich die Skale auf

einem von der Kapillare getrennten Skalenträger, bei den Stabthermometern befindet sie sich

direkt auf der Messkapillare. Bei beiden befindet sich in der Regel am oberen Ende der

Kapillare eine Expansionserweiterung zur Vermeidung einer Zerstörung des Thermometers bei

Messbereichsüberschreitungen.

Flüssigkeits-Glasthermometer werden für viele Anwendungen gefertigt, sind aber nur bedingt in

der Automatisierungstechnik einsetzbar.

Für einfache Temperaturregelungen können Kontaktthermometer als Schaltinstrumente, die bei

einer bestimmten Temperatur einen Stromkreis schließen, verwendet werden. Dabei ist das

Quecksilber in Kontakt mit einem im Thermometergefäß eingebauten metallischen Draht. In der

Thermometerkapillare befindet sich ein festeingeschmolzener oder höhenverstellbarer zweiter

metallischer Kontakt. Durch Steigen oder Sinken der Quecksilbersäule können somit

Schaltvorgänge ausgelöst werden, die zu Regelzwecken verwendbar sind. Aufgrund der

geringen Durchmesser der Schaltkontakte und der Quecksilbersäule lassen sich nur geringe

Schaltleistungen realisieren, so dass als Schaltverstärker Relais mit induktionsfreiem

Steuerkreis, deren Leistungsaufnahme den zulässigen Grenzwert nicht übersteigt, empfohlen

werden. [6.14]

Fehlerquellen/Messunsicherheiten. Bei Flüssigkeits-Glasthermometern ist neben der

allgemeinen Forderung bezüglich einer guten thermischen Ankopplung an das Messmedium

folgendes zu beachten:

Schnelle Temperaturänderungen können Fehlanzeigen bewirken, wenn infolge thermischer

Nachwirkungen die mit der Temperaturänderung verbundene Volumenänderungen des

Gefäßmaterials nachlaufend erfolgt. Besonders bei raschen Abkühlungen von Temperaturen

oberhalb 100 °C liefern Thermometer zu niedrige Anzeigen, die sich am besten am Eispunkt

bestimmen lassen („Eispunktdepression", i.a.


6.3.7.2 Zeigerthermometer - Stabausdehnungs- und Bimetallthermometer

Messprinzip/statisches Verhalten. Bei Stabausdehnungsthermometern sind zwei stab- oder

zylinderförmige Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten an einem Ende fest

miteinander verbunden. Am anderen, frei beweglichem Ende dient die registrierte

Längendifferenz zwischen beiden als Maß für eine Temperaturänderung.

Bei Bimetallthermometern sind zwei etwa gleich dicke Metallschichten mit unterschiedlichem

Ausdehnungskoeffizienten über die gesamte Länge direkt miteinander verbunden. Eine

Temperaturänderung bewirkt somit eine Verformung des Sensors, die auf einen Zeiger

übertragen wird oder einen Schaltkontakt auslöst. Die Kennzeichnung der Bimetalle erfolgt

durch die spezifische Ausbiegung δ, für die bei gleicher Materialdicke und gleichem

Elastizitätsmodul der beiden Komponenten gilt:

mit α1, α2 Ausdehnungskoeffizienten der beiden Komponenten.

Für die Ausbiegung f eines einseitig eingespannten Bimetallstreifens der Länge L und der Dicke

s nach einer Temperaturänderung dT gilt:

2

L

f = δ dT

s

Ausbiegung eines Bimetalistreifens

Die spezifische Ausbiegung δ ist nur über einen begrenzten Temperaturbereich linear von der

Temperatur abhängig, so dass sich auch f nur in einem eingeschränkten Bereich linear mit der

Temperatur ändert.

Die Fehlergrenzen bei Stabausdehnungs- und Bimetallthermometern liegen bei etwa 1 bis 3%

des Anzeigebereichs.

Materialien/Bauarten. Bei Stabthermometern dienen als Werkstoffe für Stäbe mit geringen

Ausdehnungskoeffizienten „Invar“ (Schwerlegierung mit dem niedrigsten

Wärmeausdehnungswert; linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei 20 – 90°C: 1,7·10 -6 K -1 -

2,0·10 -6 K -1 ), Quarz oder Keramik, die in metallischen, dünnwandigen Rohren mit großem

Ausdehnungskoeffizienten auf geeignete Weise befestigt sind.

89


90

a Stabausdehnungsthermometer

1 Rohrfest,

2 beweglicher Stab,

3 Rohrbefestigung,

4 Anzeigeeinrichtung;

b Bimetallthermometer,

1 Bimetallstreifen,

2 Zeiger,

3 Skale

Als Rohrmaterialien werden z.B. Messing (bis 300 °C), Nickel (bis 600 °C) oder Chrom/Nickel-

Stahl (bis 1000°C) verwendet. Die bei Stabthermometern auftretenden großen Stellkräfte

werden direkt für Regelzwecke genutzt. Stabthermometer können mit elektrischen Kontakten

zur Zweipunktregelung ausgestattet sein oder an hydraulische oder pneumatische Regler

angeschlossen werden.

Für Bimetallthermometer werden Eisen-Nickel-Legierungen bevorzugt, wobei die Legierung mit

dem geringeren Ausdehnungskoeffizienten Zusätze von Mangan enthält. Der

temperaturempfindliche Teil kann eine Spiral- oder Schraubenfeder sein, die aus einem

Bimetallstreifen gefertigt ist und sich bei Temperaturänderungen auf oder abwickelt. Der

Ausschlag eines mit der Feder verbundenen Zeigers ist ein Maß für die erfolgte

Temperaturänderung.

Anwendungsbeispiele

• Heizkörperventil-Stellantrieb,

• Starteinrichtung von Vergasermotoren (Hochlaufphase und Warmlaufphase).

Vorteile: große Typenpalette, robust, preiswert, große Hübe bei hohen Stellkräften

Nachteile: mäßiges dynamisches Verhalten, begrenzter dyn. Temperaturbereich.

6.3.7.3 Federthermometer

Messprinzip. Bei Federthermometern wird die Temperatur über den Druck mit Hilfe elastischer

Messglieder gemessen, deren Stellung durch die relative thermische Ausdehnung einer

flüssigen oder gasförmigen Substanz, die sich in einem geschlossenen System befindet,

bestimmt wird.

Materialien/Bauarten. Nach der Art des verwendeten temperaturempfindlichen Füllmaterials

unterscheidet man Flüssigkeits-, Dampfdruck- oder Gasdruck-Federthermometer. Der

grundsätzliche Aufbau ist bei allen Varianten gleich. Das Thermometergefäß aus Metall oder

Glas, in dem sich das Übertragungsmedium befindet, wird der zu messenden Temperatur


ausgesetzt. Es ist über eine dünne Kapillarleitung (Innendurchmesser 0,1 bis 0,3 mm, Länge bis

zu 30 m) mit dem elastischen Messglied verbunden, das auf Druckänderungen der

thermometrischen Substanz reagiert und mittels Übertragungsglieder den Messzeiger bewegt.

Ihr Einsatz in der Automatisierungstechnik beschränkt sich auf einfache Regelungsaufgaben.

Bei Flüssigkeits-Federthermometern ist das Thermometergefäß in Abhängigkeit vom

Messbereich mit Quecksilber, Quecksilber-Thallium-Legierungen, Xylol oder Toluol vollständig

gefüllt. Die Volumen- und Druckänderung als Maß für die Temperaturänderung wird von der

Messfeder aufgenommen, und kann als nahezu linear betrachtet werden. Der Messbereich liegt

in Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit zwischen -55 °C und 500 °C. Die Einstellzeiten

sind aufgrund der Bauart sehr gering, wodurch eine Nutzung von Flüssigkeits-

Federthermometern für einfache Steuer- und Regelungsaufgaben durch Anbringung von

Messkontakten am Messwerk möglich wird.

91

a Flüssigkeits-Federthermometer

1 Thermometergefäß,

2 Kapillare,

3 elastisches Messglied,

4 Anzeigemechanismus;

b Dampfdruck-Federthermometer

1 Thermometergefäß,

2 Kapillare,

3 elastisches Messglied,

4 Anzeigemechanismus,

5 Thermometerflüssigkeit,

6 Dampf,

7 Faltenbalg

Bei Dampfdruck-Federthermometern ist das Thermometergefäß nur teilweise mit einer leicht

siedenden Flüssigkeit gefüllt, so dass neben der flüssigen Phase auch der Dampf der

thermometrischen Flüssigkeit existiert. Als Übertragungsbauteil zwischen Thermometergefäß

und Kapillare mit Messglied wird häufig ein Druckübertrager (z.B. Faltenbalg) eingesetzt, der ein

Austreten und Kondensieren der Thermometerflüssigkeit außerhalb des Thermometergefäßes

verhindern soll. Der Sättigungsdruck der thermometrischen Flüssigkeit ist nur von der Höhe der

Temperatur, nicht aber von der Flüssigkeitsmenge im Thermometergefäß abhängig. Er steigt

nahezu exponentiell mit der Temperatur, so dass nichtlineare Skalen erforderlich sind. Von

Vorteil ist die hohe Auflösung (Empfindlichkeit) in einem eingeschränkten Temperaturbereich,

wodurch u.U. kleine Regelabweichungen abgeleitet werden können.

Bei Gasdruck-Federthermometern ist das ganze System konstanten Volumens mit einem Gas

(z.B. Stickstoff oder Helium) gefüllt, dessen temperaturabhängige Druckänderung auf eine


Messfeder zur Temperaturanzeige übertragen wird. Der mechanische Aufbau und die

Skalencharakteristik entsprechen denen der Füssigkeits-Federthermometer, wobei nur

geringere Verstellkräfte auftreten. Von Vorteil ist das Gasdruck-Federthermometer dann, wenn

eine lineare Anzeige über einen weiten Temperaturbereich gefordert wird.

Fehlerquellen/Meßunsicherheiten. Die Umgebungstemperatur beeinflusst bei vollständig mit

Flüssigkeit oder Gas gefüllten Federthermometern die Temperaturanzeige über die

thermometrischen Substanzen, die sich in den Kapillaren oder Messgliedern befinden und nicht

der zu messenden Temperatur ausgesetzt sind. Besonders bei längeren Kapillarleitungen sind

Federthermometer häufig mit Kompensationseinrichtungen zum Ausgleich des

Außentemperatureinflusses versehen. Des Weiteren sind auch die elastischen Eigenschaften

der Messfeder temperaturabhängig. Wärmeleitungsprozesse über die Kapillare sind wie bei

allen Berührungsthermometern zu berücksichtigen und durch geeignete Einbaubedingungen zu

minimieren. Unterschiede in der Anzeige bei steigenden oder fallenden Temperaturen

(Hysterese) können durch mechanische Behinderungen (Reibung) auftreten.

Die Fehlergrenzen bei Federthermometern liegen im Bereich von i bis 2% vom Anzeigebereich.

6.3.8 Berührungslose Thermometer

• Pyroelektrische Aufnehmer, Array (s.o.)

• Bolometer: Ein Bolometer ist ein Strahlungs- bzw. Temperaturmessgerät, welches von

S.P. Langley entwickelt wurde. Beim Bolometer wird der Widerstand einer geschwärzten

Platinfläche in Abhängigkeit von der absorbierten Strahlung (und damit der Temperatur

der Platinfläche) in einer Brückenschaltung gemessen. Moderne Bolometer verwenden

Halb- und Supraleiter, da durch die Verwendung dieser Materialien wesentlich höhere

Empfindlichkeiten erzielt werden können als bei der Verwendung von Platinfolien.

• Thermokette/ Thermosäule, träge

• Photodioden (IR)

• CCD-Arrays (besonders empfindlich im IR-Bereich)

Aufbau in Kameras oder Ähnlichem:

Filter

Optischer Strahlengang:

Sensor

92

Filter

Sensor

• Linse & Filter: λ - abhängig, da Transmission → f = f(λ)

• Hohlspiegel & Filter: λ - unabhängig, da Reflexion → f ≠ f (λ)

Wärmebild – Kamera:


• Sensor – Flächenarray

• Sensor – Zeilenarray & ein Schwenkspiegel

• Punktsensor & zwei Schwenkspiegel (hochauflösend, aber langsamer)

Literaturhinweise:

Lieneweg, Fritz, Handbuch Technische Temperaturmessung, Vieweg Verlag.

Bräuning,Günter,ÜberprüfungderÜbereinstimmungzwischenIPTSundTTS,VDI-VerlagGmbH.

Profos, P. Handbuch der industriellen Messtechnik, Vulkan Verlag

6.3.9 Spezielle Sensoren

6.3.9.1 Quarzthermometer

Neben den bisher vorgestellten Temperatursensoren gibt es noch eine Vielzahl von spezielleren

Varianten, die z.B. für Präzisionsmessungen oder berührungslose Temperaturmessung

verwendet werden.

Die Eigenfrequenz von Schwingelementen ist von der Frequenz abhängig. Beim Quarz kann

man durch die Schnittrichtung ein bestimmtes Temperaturverhalten erreichen. Quarzschwinger

für Uhrenoszillatoren sollten natürlich eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit

aufweisen. Es ist aber möglich, den Schwingquarz so aus dem Einkristall herauszuschneiden,

dass dessen Resonanzfrequenz in guter Näherung linear von der Temperatur abhängt.

Solche Temperatursensoren sind Quarzdickenschwinger. Ihre Eigenfrequenz kann wie folgt

berechnet werden:

Hierbei bedeuten d die Dicke des Schwingers, Em das Elastizitätsmodul, ρ die Dichte, n die

jeweilige Oberwelle (n = 1: Grundschwingung) und m die entsprechende Schwingungsrichtung.

Die Temperaturabhängigkeit wird dabei im Wesentlichen vom temperaturabhängigen

Elastizitätsmodul Em hervorgerufen.

Der Grundaufbau eines Quarzthermometers ist immer ähnlich. Benötigt wird ein

Quarzschwinger für die unmittelbare Einkopplung der Temperatur in das System. Zusätzlich ist

noch eine Referenz erforderlich, gegen die die vom Quarzsensor gelieferte Frequenz verglichen

wird. Diese Referenz kann entweder aus einem zweiten Quarzschwinger, der einer konstanten

Referenztemperatur ausgesetzt wird, oder aus einem Referenzoszillator (wie im folgenden

Beispiel) bestehen. Ein Umschalter schaltet dann mit einer festen Schaltfrequenz abwechselnd

die eigentliche Messfrequenz und die Referenzfrequenz auf einen Zähler. Durch dieses

alternierende "Messen" erhält man als Ergebnis die Differenz zwischen Mess- und

Referenzfrequenz, d.h. die Abweichung der Temperatur von der Referenztemperatur.

93


Durch eine entsprechende Schnittrichtung erreicht man eine Empfindlichkeit von 1000 Hz/K,

wenn die 3. Harmonische etwa 28 MHz beträgt. Quarzthermometer werden vorwiegend für

Präzisionsmessungen eingesetzt, da sie sehr aufwändig sind.

6.3.9.2 Temperaturmessgeräte mit optischem Ausgangssignal

Optische Temperaturmessverfahren nutzen physikalische Effekte, bei denen sich optische

Eigenschaften bestimmter Stoffe aufgrund von Temperaturänderungen verändern. In der

Automatisierungstechnik werden zunehmend faseroptische Thermometer eingesetzt.

Grundbestandteile dieser Thermometer sind Lichtquellen, Lichtleitfasern, die teilweise als

Sensor präpariert sind und Fotodetektoren mit elektronischer Signalaufbereitung. Der

Konstruktion faseroptischer Sensoren kann eine Vielfalt physikalischer Prinzipien zugrunde

gelegt werden.

Ein faseroptischer Temperatursensor, der den Effekt ausnutzt, dass sich die Brechzahl eines

optischen Mantels des Lichtleiters, und damit die Lichttransmission in einer definierten

Faserkrümmung mit der Temperatur ändert. Das in einer Lichtleitfaser geführte Licht wird in

einer U-förmigen Faserkrümmung teilweise aus dem Leiter ausgekoppelt. Die

Intensitätsänderung des weiter zum Detektor geführten Lichtes ist ein Maß für die Temperatur.

Instabilitäten der Lichtquelle oder Dämpfungsschwankungen der Lichtleiterverbindungsstellen

oder -zuleitungen verfälschen das Messsignal und müssen kompensiert werden. Dazu kann

über einen Lichtleiter-Y-Verzweiger ein optischer Referenzkanal zu einem zweiten Empfänger

geschaltet werden. Unter Nutzung der charakteristischen Kennlinienverläufe der

Sensorelemente können dann die Messfehler verursachenden Intensitätsschwankungen der

Lichtquelle durch elektronische Vergleichs- und Auswerteschaltungen kompensiert werden.

Mit diesen als Berührungs- oder Eintauchthermometer zu nutzenden faseroptischen Sensoren

können bei Verwendung von Stufenindexfasern in einem nahezu linearen Messbereich von

etwa -50 °C bis +200 °C Temperaturen mit einer Empfindlichkeit von ca. 0,1°C gemessen

werden.

Typische Anwendungsgebiete liegen insbesondere dort, wo verarbeitbare Messsignale

erforderlich sind, elektronische Temperaturmesstechnik jedoch nicht oder nur problematisch

einsetzbar ist, z.B. in starken elektromagnetischen Feldern und in explosiver oder aggressiver

Umgebung.

6.3.9.3 Lumineszenzthermometer

Ein weiteres Beispiel für faseroptische Thermometer sind Lumineszenzthermometer, die die

Temperaturabhängigkeit der Lumineszenz eines Sensormaterials zur Temperaturmessung

nutzen. Dabei werden die Wellenlängenverschiebung des Lumineszenzlichtes oder die

temperaturabhängige Abklingzeit der Lumineszenz nach Anregung mit einem kurzem

Lichtimpuls genutzt.

Temperaturmesssystems auf Basis der Lumineszenzabklingzeit: Das Licht einer Wellenlänge

(600 nm) wird über ein Optikteil in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt. Am anderen Ende regen

diese Lichtimpulse einen Chrom-dotierten YAG-Kristall (Yttrium-Aluminium-Granat) zur

Lumineszenz an, wobei die Cr 3+ -Ionen in Abhängigkeit von der Temperatur verschiedene

Energieniveaus besetzen. Ein Teil des Lumineszenzlichtes, das nach der Anregung längere

Wellenlängen besitzt, wird in den Optikteil zurückgeführt, spektral gefiltert und mit einer

Photodiode detektiert. In der Auswerteelektronik wird die Abklingzeit als Maß für die absolute

94


Temperatur T am Ort des Sensorkristalls, die von den besetzten angeregten Energieniveaus

abhängt, bestimmt und der entsprechende Temperaturwert angezeigt. Die galvanische

Trennung zwischen Messobjekt und Gerät durch den Einsatz von Lichtwellenleitern erlaubt

einen problemlosen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen oder in HF- und

Hochspannungsanlagen. Mit dem beschriebenen Lumineszenzthermometer erreicht man im

Temperaturbereich -50 °C bis 400 °C Genauigkeiten von 0,5°C.

6.3.9.4 Rauschthermometer

Bei der Temperaturmessung aus dem thermischen Rauschen wird die ungeordnete, statistische

Wärmebewegung der Elektronen im Leitungsband (z.B. von metallischen Leitern) zur Messung

herangezogen. Diese Bewegungen machen sich als Spannungsschwankungen an den Enden

eines elektrischen Widerstandes bemerkbar und sind eine Funktion der absoluten Temperatur

T. Quantitativ beruht die Rauschthermometrie auf einer von Nyquist 1928 aus allgemeinen

thermodynamischen Überlegungen abgeleiteten Beziehung, die unter der Voraussetzung, dass

k·T» h·f ist, wie folgt beschrieben werden kann:

Es sind:

U 2 mittleres Rauschspannungsquadrat im Frequenzband ∆f,

R frequenzunabhängiger, ohmscher Widerstand,

T thermodynamische Temperatur,

k Boltzmannkonstante

h Planck-Konstante.

Aus Gl. (6.36) lässt sich über geeignete Messverfahren direkt die thermodynamische

Temperatur bestimmen. Um Absolutmessungen der in der Größenordnung des Eigenrauschens

von Verstärkern liegenden Rauschspannung des Widerstandes zu vermeiden, können die

Messverfahren als Vergleichsverfahren und Nullmethode ausgeführt werden. Ein Vorteil der

Rauschthermometrie liegt darin, dass die Bestimmung der Temperatur unabhängig von allen

Umgebungseinflüssen ist, die bei konventionellen Temperaturmessverfahren die

Temperaturcharakteristik der Messfühler unkontrollierbar ändern. Im Temperaturbereich

zwischen 300 und 1700 K wurden relative Messunsicherheiten von 1%0 erreicht.

6.3.9.5 Akustische Thermometer

Bei akustischen Thermometern wird die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der

Temperatur genutzt. Man unterscheidet resonante Messsysteme (z.B. Quarzresonator) und

nichtresonante Messsysteme (z.B. Schall-Laufzeit-Messung). Im ersten Fall sind die

Ausgangssignale Frequenzen und im zweiten Fall Zeitintervalle, die leicht in digitale Signale

umsetzbar sind.

Die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Gasen zeigt die folgende Gleichung:

95


mit

T absolute Temperatur,

To beliebige Bezugstemperatur und c0 Schallgeschwindigkeit bei To.

Nach dem Puls-Echo-Prinzip kann mit rohrförmigen Eintauchsensoren aus beliebigen

Materialien, in denen sich das Gas befindet, die Temperatur bis zur thermischen Belastbarkeit

dieser Rohre mit Unsicherheiten von weniger als 1 K bestimmt werden [VDI/VDE 3511/1]. Bei

sehr hohen Temperaturen können auch Festkörper, z.B. Wolframdrähte, eingesetzt werden, bei

denen Querschnittsänderungen die Sensorstrecke begrenzen.

6.4 Temperaturkompensation

Bei Temperatursensoren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Größe Temperatur einen

großen Einfluss auf viele physikalische Vorgänge hat. Diese Effekte sind dort erwünscht. Aber

diesen Einfluss hat die Temperatur natürlich nicht nur, wenn wir das gerade wollen. Sie

beeinflusst viele andere Prozesse auf unerwünschte Weise. Es soll im Folgenden kurz

angedeutet werden, wie man den unerwünschten Einfluss der Temperatur auf Messvorgänge

kompensieren kann.

6.4.1 Kompensation mittels Referenzsensor

Eine Möglichkeit zur Temperaturkompensation besteht darin, zwei Sensoren (z.B. Magnetfeld-

Sensoren) gleichen Typs nahe beieinander anzuordnen. Es wird jedoch nur einer davon der

eigentlichen Messgröße (z.B. Magnetfeld) ausgesetzt, d.h., das Signal des zweiten Sensors ist

nur abhängig von der auf ihn wirkenden Temperatur. Dieselbe Temperatur beeinflusst nun

natürlich auch den ersten "Messsensor". Da beide gleichen Typs sind, ist der Einfluss der

Temperatur bei beiden (weitgehend) gleich. Falls also keine Messgröße auf den Sensor wirkt,

beträgt die Differenz beider Ausgangssignale (z.B. Spannungen) 0.

Üblicherweise speist man mit den beiden Sensorsignalen eine Brückenschaltung, die dort

abgreifbare Differenzspannung ist dann (weitgehend) entkoppelt vom Temperatureinfluss auf

6.4.2 Kompensation mittels separater Temperaturerfassung

Eine weitere Methode ist auch besonders für integrierte Sensoren (z.B. mit Primärelektronik)

geeignet. Hierbei wird neben dem Sensor für die eigentliche Messgröße (z.B. Magnetfeld) noch

ein Temperatursensor in die Schaltung integriert. Dieser erlaubt es nun, die auf den

"Messsensor" wirkende Temperatur zu ermitteln. Bei bekanntem Temperaturverhalten dieses

Messsensors kann dieser Einfluss mittels geeigneter Kompensationsschaltungen (u.U. auch

mittels Mikroprozessor) "herausgerechnet" werden. Man erhält somit auch ein Sensorsignal,

dass (weitgehend) frei vom Temperatureinfluss auf den Messsensor ist.

96


6.5 Anwendungen von Temperatursensoren

Temperatursensoren finden in vielen Bereichen Anwendungen, eben überall dort, wo die

Temperatur einer Materie gemessen und anschließend elektronisch ausgewertet werden muss.

Aber auch die Erfassung verschiedener anderer Größen läßt sich auf eine Temperaturmessung

zurückführen.

6.1.1 Anemometrie (Strömungsmessung) - Thermische Mikro-Durchfluss-Sensoren

Bezeichnungen: Durchfluss-Gassensor, Anemometer, Microbridge Mass Airflow Sensor

Strömt ein Gas oder eine Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit v an einem aufgeheizten

Widerstandsdraht vorbei, so kühlt sich dieser unter dem Einfluss der kühlenden Strömung ab.

Dieser Effekt kann zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt werden, wobei man

entweder bei konstantem Heizstrom den Widerstand ermittelt (Verfahren mit konstantem Strom)

oder bei konstant gehaltenem Widerstand den zugehörigen Heizstrom (s. Abb. 8.1) bestimmt

(Verfahren mit konstantem Widerstand). Um eine große Empfindlichkeit zu erreichen, werden

für die Messdrähte reine Metalle (meist Platin, Platin-Iridium, Nickel oder Wolfram) mit

Drahtlängen von 0,3...10 mm und Drahtdurchmessern von 1 m bis 0,1 mm benutzt. Die

Messdrähte haben Widerstände von einigen bis zu mehreren 10 und Temperaturen von 100

bis 1000 °C. Hohe Temperaturen ergeben große Empfindlichkeiten, verursachen aber eine

schnelle Alterung.

Das Verfahren mit konstantem Strom ist für Strömungsgeschwindigkeiten bis etwa 15 m/s gut

geeignet. Mit dem Verfahren "konstanter Widerstand" lassen sich bedeutend höhere

Strömungsgeschwindigkeiten messen. Bei den dünnsten Messdrähten erreicht man eine obere

Grenzfrequenz von 10 kHz. Auch Halbleiterwiderstände verwendet man wegen der starken

Temperaturabhängigkeit für die Strömungsmessung. Sie haben eine Länge von 5...20 mm und

einen Durchmesser von 1...3 mm. Infolge ihrer Masse sind sie träge, man erreicht hier nur

Grenzfrequenzen von einigen Hertz.

Hitzdraht-Anemometrie. Quelle: http://www.michael-muth.de/lectures/TempSens/chap08.html#a01

a) Hitzdraht-Sonde

b) Schaltung für Verfahren mit konstantem Widerstand des Hitzdrahtes

Die Empfindlichkeit der Anemometer hängt von der spezifischen Wärme des Gases oder der

Flüssigkeit, der Temperatur und vom Wärmeübergangskoeffizienten (von

97


Oxidationserscheinungen und Staubablagerungen) am Messdraht ab. Anemometer besitzen

eine ausgeprägte Richtcharakteristik. Ein Minimum der Empfindlichkeit zeigen sie, wenn die

Längsachse des Messdrates in Richtung der Strömung weist.

Quelle: NTB Sensordatenbank / Labor Elektronische Messsysteme Sensor No. 18 bei Franz Baumgartner // e-mail:

Bu@ntb.ch // Fachhochschule Buchs / www.ntb.ch/Pubs/sensordemo/ 2002-06-27 NTB; Erstellt: 2002-03-04 von Ch.

Eugster / F. Felix Überarbeitet: 2002-06-27 von F. Baumgartner / FH-Buchs / Labor Elektronische Messtechnik

6.5.1.1 Genauere Erläuterung des Messprinzips

Ein Gas der Temperatur ϑ G , das an eine geheizte Fläche der Temperatur ϑ H > ϑ G grenzt, nimmt

dort thermische (kinetische) Energie auf. Der dadurch entstehende Wärmeverlust der geheizten

Fläche ist proportional zur Temperaturdifferenz ∆ϑ = ϑ H –ϑ G und zur Zahl der pro Zeit

auftreffenden Moleküle.

Über die Messung der Wärmeabgabe können somit auch kleine Gasströmungen bestimmt

werden. In der Praxis haben sich zwei Verfahren bewährt: Das Wärmeverlustverfahren und das

Wärmeverteilungsverfahren.

Wärmeverlustverfahren:

Nach der Kingschen Beziehung ist der Wärmeverlust, einer durch den Widerstand geheizten

Fläche mit dem Strom I H und der Temperatur ϑ H an das Gas mit der Temperatur ϑ G (ϑ G < ϑ H )

gegeben durch:

P H Heizleistung

q m Massendurchfluss

R H Heizwiderstand

I H Strom durch den Heizwiderstand

∆ϑ Temperaturdifferenz ϑ H -ϑ G

A, B empirische Konstanten

Darin ist A*∆ϑ der Wärmeverlust durch freie Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeableitung

an die Halterung. B*∆ϑ ist der Proportionalitätsfaktor für die erzwungene Konvektion. Die

Apparategröße A und der Proportionalitätsfaktor B sind dabei konstante Größen. Die Idee der

Schaltung (Abbildung 1) besteht nun darin, dass die Temperaturdifferenz ∆ϑ immer konstant

gehalten wird. Nach der obigen Formel bedeutet dies, dass bei Änderung des

Massendurchflusses die Heizleistung P H und somit I H geändert werden muss, damit die

Gleichung erfüllt ist.

Der Heizwiderstand R H wird durch den Strom I H auf eine Temperatur ϑ H gebracht bis R H /R 2 =

R ϑ /R 1 ist. Die beiden Widerstände R H =R 0H *(1+a*ϑ H ) und R ϑ =R 0ϑ *(1+a*ϑ G ) sind zwei

98


temperaturabhängige Platin-Dünnschichtwiderstände. Man wählt R 0H / R 0ϑ =1/100 und erreicht

damit, dass fast der gesamte Brückenstrom durch R H fließt. Damit wird der Widerstand R ϑ nicht

erwärmt und nimmt die Temperatur des Gases an. Dadurch haben nun die Widerstände eine

Temperaturdifferenz von ∆ϑ. Die Widerstände R 1 und R 2 sind Konstantwiderstände. Sie werden

so gewählt, dass die Regelung mit einer hohen Empfindlichkeit arbeitet. Für die Abgleichbrücke

heißt das: R 2 ºR H und R 1 ºR ϑ . Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von v=0 entsteht also eine

Abgleichung der Brücke und U d wird somit 0. Wenn nun das Gas zu strömen beginnt kühlt sich

der Widerstand R H ab, U d wird >0 und die Temperaturdifferenz ∆ϑ ändert sich. Der

Operationsverstärker mit Leistungsausgang erhöht nun den Strom I und somit auch den

Heizstrom I H , bis die Brücke wieder abgeglichen ist (Ud=0) und wieder die ursprüngliche

Temperaturdifferenz herrscht. Damit ist auch R H /R 2 = R ϑ /R 1 . Um den Durchfluss q m nun

angeben zu können wird der Heizstrom I H gemessen und mit Hilfe eines Mikroprozessors

anhand der Formel

berechnet.

Der große Vorteil dieser Schaltung ist, dass keine Korrektur nötig ist, auch wenn sich die

Temperatur des Gases ändert. Sollte dies nämlich der Fall sein ändern beide

Temperaturwiderstände (R H und R ϑ ) ihren Widerstand um dieselbe Größe und die

Temperaturdifferenz ∆ϑ bleibt gleich.

Wärmeverteilungsverfahren:

Beim Wärmeverteilungsverfahren befindet sich ein Heizwiderstand R H zwischen zwei

temperaturabhängigen Widerständen R 1 und R 2 . Der wesentliche Unterschied zum

Wärmeverlustverfahren liegt darin, dass hier die Heizleistung P H im Widerstand R H konstant

gehalten wird. Ebenfalls über die Kingsche Beziehung ändert sich nun die Temperaturdifferenz

∆ϑ in Funktion des Durchflusses. Kingsche Beziehung umgeformt:

Die Temperatur des Widerstandes bleibt gleich, die Temperatur des Gases ändert sich. Ist der

Durchfluss null, erwärmt sich das Gas am stärksten. Außerdem verteilt es sich in alle

Richtungen gleich, es bildet sich eine Wärmeblase. Die beiden Widerstände R 1 und R 2 ändern

sich in gleichem Masse.

Bewegt sich hingegen das Gas, wird die Wärmeblase verzerrt. Der vordere Widerstand wird

weniger erwärmt als der hintere. Durch Anordnung der beiden Widerstände R 1 und R 2 in einer

Brückenschaltung kann diese Temperaturdifferenz in eine Spannung überführt werden.

99


6.5.1.2 Bauformen

Schaltung Wärmeverlustverfahren [1]

Schaltung Wärmeverteilungsverfahren [1]

Bauformen [3]

6.5.1.3 Funktionsweisen / Produktvarianten: Beispiel Microbridge Mass Airflow Sensor

Der Microbridge Mass Airflow funktioniert nach dem Prinzip von Wärmetransport

(Wärmeverteilungsverfahren). Die Luft erwärmt sich über dem Heizelement und diese

Erwärmung wird dann beim Sensorelement gemessen. Die gesamte Schaltung besteht aus

einem Chip. Das Bild rechts zeigt dessen Aufbau. Er besteht aus zwei Brücken, die je die Hälfte

des Heizelements und ein Sensorelement enthalten. Durch beidseitige Anordnung der

Sensorelemente, kann der Fluss bidirektional erfasst werden.

100


Aufbau [3]

Vergleich von zwei Kennlinien [2]: Charakteristik von zwei Microbridge-Sensoren vom gleichen Hersteller. Es ist gut

ersichtlich, dass die Linearität nur bei kleinen Durchflussströmen gewährleistet ist. Auch die Messunsicherheit wird

größer, je größer der Messwert ist.

Das Heizelement wird um 160°C über die Umgebungstemperatur aufgeheizt. Ist der Durchfluss

null, so wird von beiden Sensorelementen die gleiche Wärme registriert. Bei Durchfluss kühlt

sich das vordere Sensorelement ab, das nachfolgende wird erwärmt. Es entsteht eine

Ausgangsspannung, deren Vorzeichen gerade die Flussrichtung anzeigt.

6.5.1.4 Daten kommerzieller Produkte

Daten Honeywell-Sensoren

Messbereich

Genauigkeit / Fehler

Temperatur

/Umgebung

• -1000 ... +1000 sccm* (Low Flow)

• 0 … 20 SLPM* (High Flow)

• Auflösung: 0.01 ml/min

• Genauigkeit: ± 2.5 % Reading … 32 % Reading

• Reproduzierbarkeit / Hysteres: ± 0.35 % Reading ... 1 % Full

Scale

• -25 ... 85 °C

101


Leitungsdruck

Reaktionszeit

Bauformen

Kosten

Vorteile

Nachteile

Anwendungsbereiche

• 25 ...150 psi / 1.7 ... 10 bar

• 1 ... 60 ms

• ca. 30 * 30 * 15 mm (Low Flow)

• ca. 30 * 30 * 160 mm (High Flow)

• € 130 .. 200 (Einzelpreis)

• kleine Auflösung

• kurze Reaktionszeiten

• geringer Druckabfall

• kleine Baugröße

• hohe Reproduzierbarkeit

• keine Messung in Druckleitungen

• Linearität bei mittlerem bis größerem Durchfluss

• Verträgt keine Flüssigkeiten (Kondenswasser)

• Messung kleinster Druckabfälle und Gasströmen

• Analyse: Gaschromatographie

• Medizintechnik: z.B. Künstliche Beatmung

• Meteorologie

• Prozesskontrolle

* 1 SLPM (Standard Liter per Minute) = 1000 sccm (standard cubic centimeter per minute)

6.5.1.5 Quellen, Links

Literatur / Normen

[1] J.Niebuhr, G.Lindner; Physikalische Messtechnik mit Sensoren; ISBN 3-486-23614-8; 4.

Auflage 1996

[2] Katalog: Honeywell, Environmental Condition Sensors, Sept. 98

[3] Gehman, Murray, Speldrich; Reduced Package Size for Medical Flow Sensor; 2000,

Honeywell

[4] H.-R. Tränkler, E. Obermeier; Sensortechnik; ISBN 3-540-58640-7; 1998

Hersteller / Distributoren

102


Firmen Produkte Links

Honeywell Microbridge Mass Airflow Sensor

(AWM-Serie)

103

http://www.honeywell.com/sensing

Leister Durchfluss-Gassensor http://www.leister.com

IST AG, Wattwil,

CH

6.5.1.6 Ergänzungen

I = f(qm) [1]

Durchfluss-Gassensor Messbereich

0.01 bis 100m/s

http://www.ist-ag.com

Beispiel zur Messbrücke (Abbildung 6): Die Temperatur des Gases

beträgt ϑ G =20°C. Der Widerstand R 0ϑ wird 1kOhm gewählt und man

möchte eine Temperaturdifferenz von Dϑ=200°C. Da nun R 0H / R 0ϑ =1/100

angenommen wird, wird der Widerstand R 0H =10Ohm. Damit:

RH =R0H *(1+a*ϑH ) = 18.47Ohm und Rϑ =R0ϑ *(1+a*ϑG ) =1077Ohm. (aCU =

-3

3.85*10

) R1 und R2 werden so gewählt, dass die Regelung mit hoher

Empfindlichkeit arbeitet: R 2 ºR H und R 1 ºR ϑ .

In Luft mit pº1bar ist ein Heizstrom I M =245mA erforderlich, damit im

Ruhezustand (q m =0) der Heizwiderstand R H =18.47Ohm beträgt und die

Brücke abgeglichen ist (Abbildung 6). Bei q m =500Kg/h benötigt man

dagegen I M =490mA um ebenfalls R H =18.47Ohm zu erreichen.


6.6 Vergleich der Eigenschaften der gebräuchlichsten Temperatursensortypen

Thermocouples These are easily the most often used sensor. They are small, low

cost, and relatively simple to use. They lend themselves to

installation, where they cannot be removed after testing, or where

they may be destroyed in testing. Thermocouples are very rugged

and will withstand far more abuse than other sensor types.

Electrically, the thermocouple acts as a low impedance source,

allowing the measuring instrument to have a high impedance, thereby

minimizing noise pickup on longer runs. Compared to other sensor

types, thermocouples are relatively inaccurate and not as repeatable.

Because of low-level output, non-linear e.m.f. versus temperature and

the need for reference junction, the readout instrumentation is more

complex than for other sensor types.

Platinum RTDs RTDs (Resistance Temperature Detectors) are excellent but fragile

sensors, offering a wide range (useful from –200 to +660ºC) and

higher repeatability, stability, and accuracy than other sensors over

this range. They are electrically superior to thermocouples because a

higher e.m.f. output can be obtained, thereby producing higher

sensitivity and better resolution. Because of the higher e.m.f. and no

need for reference junction, the readout instrument is less complex

and usually less expensive. Initial probe cost is high and care must

be exercised in their application and use, and they must include a

greater sensitive area. To obtain optimum accuracy, the probe and

readout instrument must be calibrated as a system, thereby reducing

probe interchangeability.

Thermistors Thermistors are considerably more accurate than thermocouples from

below the freezing point to just above the boiling point of water. They

are highly accurate and may be selected to close interchangeability.

Other advantages are relative low-cost and small size. The useful

range limits the application for this sensor. Although satisfactory for

industrial use, they are not as rugged as thermocouples.

Quelle: http://www.instrulab.com/platrtd.htm

104


Temperature Sensor Overview

Temperature Sensing Methods

There are two temperature sensing methods:

• Contact

• Non-contact

Contact sensing brings the sensor in physical contact with a substance or object. It can be used with solids,

liquids or gases. Non-contact (infrared) temperature sensing reads temperature by intercepting a portion of

the infrared energy emitted by an object or substance, and detecting its intensity. Non-contact is used to

sense the temperature of solids and liquids. Non-contact cannot be used on gases due to their transparent

nature.

Contact Temperature Sensor Types and Comparisons

Contact sensors, aside from capillary/bulb thermometers and bi-metal sensors, use varying voltage signals or

resistance values.

Voltage Signals

Thermocouple sensors generate varying voltage signals. The different metal and alloy combinations in the

thermocouple's legs produce a predictable voltage for a given temperature.

Resistance Values

Resistance temperature detectors (RTDs) generate varying resistance values. RTDs as a class are divided into two

types:

• Resistance wire RTD

• Thermistor (thermally sensitive transistor)

RTDs work by producing a predictable resistance at a given temperature. Resistance wire RTDs (generally platinum)

have a positive coefficient by increasing resistance with temperature increase. Thermistors are generally negative

coefficient by decreasing resistance with temperature increase. Each of these three contact sensor types (RTDs,

thermocouples, and thermistors) have advantages and disadvantages depending on application, desired response

time and accuracy. A presentation of general benefits can help determine the most suitable contact sensor type.

Thermocouple Advantages

• Extremely high temperatures: Noble metal thermocouples may be rated as high as 1700°C (3100°F).

• Ruggedness: The thermocouples' inherent simplicity enables them to withstand shock and vibration.

• Small size/fast response: Thermocouples with exposed or grounded junctions offer nearly immediate

response to temperature changes.

RTD Advantages

• Wide temperature range: Watlow platinum sensors cover temperatures from -200 to 650°C (-328 to 1200°F).

• Repeatability and stability: The platinum resistance RTD is the primary interpolation instrument used by the

National Bureau of Standards from -260 to 630°C (-436 to 1135°F). Precision RTDs can be manufactured

with stability of 0.0025°C per year. Industrial models typically drift less than 0.1°C per year.

• High output: The current drop across an RTD provides a much larger signal than thermocouple voltage

105


output.

• Linearity: Platinum and copper element RTDs follow a more linear curve than thermocouples or most

thermistors.

• System wiring cost: Unlike a thermocouple, an RTD uses ordinary copper leads for extension wires and

requires no cold junction compensation.

• Area sensing: Point measurements, while often desirable, may cause errors. An RTD element can be

spread over a large area, improving control with area averaging, a technique impractical with thermocouples.

Thermistor Advantages

Due to wide performance and cost variations among thermistors, generalized advantages and disadvantages may not

always apply. Common benefits include:

• Low sensor cost: Most thermistors in their basic form cost much less than RTDs. When assembled in

protective sheaths the price difference narrows.

• High resistance: Base resistance may be several thousand ohms. This provides a larger signal change

compared to resistance wire RTDs with the same measuring current, negating leadwire resistance problems.

• Interchangeability: Many newer thermistor models are trimmed to very tight tolerances over limited

temperature ranges.

• Point sensing: Thermistor beads may be pinhead size for point sensing.

Contact Sensor Conclusions

• Thermocouples are best suited to high temperatures, environmental extremes, or applications requiring

microscopic size sensors.

• RTDs are best for most industrial measurements over a wide temperature range, especially when sensor

stability is essential for proper control.

• Thermistors are best for low cost applications over limited temperature ranges.

Non-Contact Sensors

A non-contact (infrared) sensor intercepts and converts emitted infrared heat into a voltage signal. Construction

characteristics of non-contact sensors use a lens to concentrate radiated infrared energy onto a thermopile. The

voltage signal produced by the thermopile is sent onto an electronics package for amplification and conditioning

before being retransmitted as either a voltage or current signal. Non-contact temperature sensors generally react and

register (respond) faster than contact temperature sensors.

Non-Contact Temperature Sensor Advantages

The reasons for using non-contact over contact temperature sensing are:

• When physical contact with the object or substance would deface or contaminate

• The process or object moves

• A process requires a faster response than is possible with a contact sensor

• Can be isolated from contaminated or explosive environments by viewing through a window

Contact vs. Non-contact Sensor Comparisons

106


Contact Temperature Sensors

Advantages

• Relatively rugged

• Economical

• Wide application range

• Relatively accurate

• Simple to apply

Disadvantages

• Requires physical contact, may damage, mar or contaminate

• Can cause wear on rotary components (slip rings)

• Slow to respond relative to non-contact sensing

• Acts as a heatsink, alters readings on small objects

Non-contact Temperature Sensors

Advantages

• Relatively rugged

• Remote mounting away from heat source

• Ideal for measuring objects in motion

• Does not interfere with process

• Faster response (milliseconds compared to seconds for contact sensing)

• Can sense temperature of irregular shaped objects

• Will not deface, mar or contaminate

• Will not act as a heatsink

Disadvantages

• Will not measure gas temperatures

• Emissivity variations

• Field-of-view (spot size) restrictions

• Ambient temperature restrictions

• Indicated temperature affected by environmental conditions (dust, smoke, etc.)

Quelle: http://www.anafaze.com/products/guides/sensor/sesg_ovr.cfm

107


7 Längen- und Winkelmessung

7.1 Einleitung

Die beiden geometrischen Messgrößen Länge (x) und Winkel (φ) lassen sich nach den

gleichen Prinzipien in elektrische Signale umformen. Bei der Messgröße „Füllstand"

kommen einige spezielle Verfahren sowie einige Probleme hinzu.

Geschwindigkeit/Winkelgeschwindigkeit bzw. die jeweiligen Beschleunigungen ergeben

sich durch Differentiation (z.B. ω = d(φ/dt)). Daneben gibt es direkte Messverfahren für

lineare und rotatorische Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen. Umgekehrt können

Wege und Winkel auch aus einer Beschleunigungsmessung und zweifacher Integration

bestimmt werden („Trägheitsnavigation").

Es wird unterschieden zwischen der

• relativen Wegmessung - als Abstand zweier Punkte in einem beliebigen

Koordinatensystem

• absoluten Wegmessung - als Differenz zweier definierter „Positionen" an Bedeutung

(z.B. Transportsysteme, Robotik – z.B. über Satelliten-Navigation (GPS = Global

Positioning System; Messfehler unter einigen Zentimetern sind möglich (ortsfester

Referenzpunkt: Differential-GPS)

7.2 Messprinzipien

Zur Messung von Wegen und Winkeln können unterschiedlichste Messprinzipien

herangezogen werden. Ihre Eignung für abgeleitete Größen ist ebenfalls angegeben.

Wirkprinzip Umsetzung x

φ

108

v = dx/dt

ω = dφ/dt

a = dv/dt

α = dω/dt

resistiv Potentiometer x x

induktiv Spule x x

kapazitiv Kondensatoren: Verschiebung des

Dielektrikums, Änderung des

Plattenabstands oder der

Plattenüberlappung

optisch Messung der elektromagnetischen

Strahlung

akustisch Ultraschall-Laufzeit x

F

M

x x

x x

magnetisch Hallsensoren x x x

magnetostriktiv

piezoelektrisch x x

piezoresistiv x x x


7.3 Exemplarische Anwendungsgebiete

Es existieren vielfältige Anwendungsgebiete:

Werkzeugsteuerung Berührungslose Abstands- und Entfernungsmessung

Näherungsschalter

(binärer Sensor)

Positionssensor (x, y)

Räumliche Lage von Objekten

Qualitätskontrolle Schichtdicken, Durchmesser und Breiten, Rauhigkeit, Abrieb,

Rissbildung

Füllstandssensoren Pegelsensor

7.4 Wegsensoren

7.4.1 Resistive Weg- und Winkelsensoren – Potentiometerprinzip

Die Eingangsmessgröße Weg xe oder Winkel φe wird in einen Widerstandswert abgebildet.

Ein veränderbarer passiver 2-Polwiderstand dient als Weg-/Winkelsensor. Der passive

Signalparameter R wird durch eine Hilfsenergie PH in ein aktives Ausgangssignal xa

(elektrischer Strom bzw. Spannung) umgesetzt. Als Hilfsenergie kann eine

Gleichspannung/strom (DC) oder eine Wechselgröße (AC) beliebigen Zeitverlaufs dienen.

Ohmsche Aufnehmer können zur Herabsetzung der Joule’schen Erwärmung vorteilhaft mit

einem Pulssignal kleinen Tastverhältnisses gespeist werden.

Potentiometrische Weg-/Winkelsensoren können auch leicht mit gezielt nichtlinearer

Kennlinie R = f(xe) realisiert werden: Drahtgewickelte Widerstände werden mit ortsvariabler

Steigung gewickelt, planare Widerstände erhalten eine nicht-rechteckige Kontur.

109


mit

R

2 U2 = UH R 0

x

R = R

2 0

l0

Schaltskizze eines potentiometrischen Weg-

/Winkelaufnehmers nach dem

„Differenzialprinzip“: Sehr weit verbreitet ist eine

Anordnung, bei der ein mit dem Messweg/-

Winkel (xe) verschiebbarer Schleifkontakt einen

Teil R2 eines Festwiderstandes R0 abgreift und so

die an

R0 anliegende Speisespannung UH aufteilt. Es

entfällt theoretisch jeder Temperatureinfluss

(sofern das gesamte Potentiometer sich auf

ein und derselben - beliebigen - Temperatur

befindet). RL: Lastwiderstand: Wird dieser zu

groß, wird die Kennlinie U2/UH nicht-linear.

7.4.1.1 Widerstandsmaterialien

110

ϕ

R = R

ϕ

Drahtpotentiometer für Wegmessung (oben, mitte) und

Winkelmessung (unten): Potentiometric displacement

transducers are rather simple devices in which a sliding

contact (wiper) moves over a resistance element. The result

is a resistance change between the wiper and one of the

contacts of the resistor. Quellen: www.sensedu.com, [1]

• Konstantan (55% Kupfer, 45% Nickel; werden in der Elektrotechnik als

Widerstandsmaterial und Einbauwerkstoffe für Elektronenröhren verwendet.)

• edelmetallhaltige Legierungen wie

o AgPd (in Drahtform),

o RuO2_X-Dickfilme,

o „Leitplastik" (mit Graphit oder Ruß gefüllte Kunststoffe)

Die Schleifer, z.B. aus CuBe, sind meist mehrfach ausgeführt (Übergangswiderstand!).

Eine Leitplastik ist trotz geringerer Lebensdauer (Faktor 1/10) Drahtpotentiometern

überlegen:

• mehrere 100 Mio. Schleiferspiele bei Leitplastik-Pressverfahren möglich,

• billig,

• hohe Auflösung,

• Linearitäten von +/- 2% bis +/-0.05 % (durch Lasertrimmung),

• T-Koeffizient: +/- 400ppm/K.

Der Messweg ist bei geraden Potentiometern etwa gleich der Baulänge. Als

Winkelpotentiometer findet man solche, die auf Messwinkel bis 360° begrenzt sind sowie so

genannte Wendelpotentiometer, z.B. 10x360°. Für große Messwege werden untersetzende

Seilzug- oder Zahnradgetriebe vor einem Winkelpotentiometer, z.B. einem 10-fach

Wendelpotentiometer, angeordnet.

0

0


7.4.1.2 Typische Kenndaten

Messweg

1 ... 30 cm, unter Zwischenschaltung eines Getriebes bis ca. 10 m; n · 360°

Auflösung

Bei drahtgewickelten Potentiometern gemäß Draht-Durchmesser. Bei homogenen

Widerstandsbahnen ca. 0,1 mm (wegen Hysterese/Stick-slip).

• Nicht-Linearität: ca. 1% FS (Full Scale, unbelastet)

• Lastspiele: >10 8

• Einsatztemperatur: -50/+100 °C (Kunststoff) bzw. +250 °C (Metall)

Charakteristik

Vorteile:

• Einfache Hilfsenergie keine (DC) Elektronik

• hohe Signalleistung erforderlich

• lineare Kennlinie (auch beliebige Nichtlinearität modellierbar, trimmfähig) - großer

Messweg/-winkel

Nachteile

• Berührung des Messobjektes (mechanische Rückwirkung)

• Reibung (Hysterese, Verschleiß)

• Korrosion/Verschmutzung der Widerstandsbahn (-Kontaktprobleme) begrenzte

Auflösung hohe Leistungsaufnahme

7.4.1.3 Typische Anwendungsgebiete

Kfz, Industrieanlagen, Kompensationsschreiber

7.4.2 Induktive Weg- und Winkelsensoren

Das Grundkonzept induktiver Wegaufnehmer verdeutlicht die folgende Abbildung: In eine

ein- oder mehrlagige Zylinderspule aus Cu, Al, Ag oder Au wird ein „Kern" gemäß dem

Messweg x eingeschoben.

111


Zylinderspule mit ferromagnetischem Tauchanker Elektrisches Ersatzschaltbild eines induktiven

Wegsensors mit Kern (RK): Die endliche Leitfähigkeit

der Spule führt zu einem Serienwiderstand RS.

Weiterhin treten Verluste in dem ferromagnetischen

bzw. dem leitfähigen „Wirbelstrom"Kern auf, die in dem

Ersatzschaltbild durch einen Widerstand RK

repräsentiert werden, obgleich in ferromagnetischen

Materialien zwei Verlustmechanismen wirksam sind

(Hysterese, Wirbelstrom). Sowohl RS wie RK weisen

erhebliche Frequenzabhängigkeit auf.

Das elektrische Antwortverhalten des Wegaufnehmers hängt von der Wahl des

Kernmaterials ab:

A) Ist das Kernmaterial ferro-/ferrimagnetisch (µr > 1), so tritt eine Erhöhung der

Spuleninduktivität L auf. Unter Vernachlässigung des Magnetfeldes außerhalb der Spule

erhält man für µr » 1 als Folge des über die Länge x im Ferromagnetikum geführten Feldes

A

L ≈ µµ n

x

0 r

2

L

mit n: Windungszahl

µ0: Magnetische Feldkonstante (4·π·10 -7 H·m -1 )

A: Kernquerschnittsfläche, die von den Feldlinien durchströmt wird

l: Länge der Spule

wobei der magnetische Widerstand

R

m

x x x

= + + ist.

µµA µA µA

0 r Kern 0 Luftspalt 0 außen

1. Term: Beitrag der magnetischen Feldlinien im ferro-/ferrimagnetischen Kernmaterial; 2.

Term: Beitrag der Luft innerhalb der Spule (ist klein, wird häufig vernachlässigt); 3. Term:

Beitrag der Luft außerhalb der Spule (ist klein, wird häufig vernachlässigt)

B) Besteht der Kern aus einem elektrisch leitfähigen, aber unmagnetischen Material (z.B.

Cu), so werden in diesem Wirbelströme induziert, die (gemäß Lenzscher Regel) dem

Ursprungs-Magnetfeld der stromdurchflossenen Spule entgegenwirken. Das heißt, der

magnetische Fluss Ф in dieser Kernzone wird geschwächt, also die Induktivität (L = n·Ф/l)

112


verringert. Im Falle geringer Eindringtiefe δ des Stromes (z.B. f = 5o kHz: δCu = 0,3 mm) ist

das Kerngebiet nahezu feldfrei.

Induktiver Wegsensor, alternativ mit zwei

Magnetkernen unterschiedlicher Permeabilität µr oder

einem leitfähigen Wirbelstrom-Kern κ. Bei Auftragung

von L gegen x: hyperbelförmiger Verlauf.

Induktiver Aufnehmer: Tauchankergeber. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn,

Mechatronik und Dynamik

Induktiver Aufnehmer in Differentialtransformator-Auslegung - A linear variable differential transformer consists of

three coaxial windings, the center winding is the primary and the others are the secondaries, which are

connected together at one of their two terminals. When AC excitation (Alternating Current = Wechselstrom) is

applied to the primary winding and the ferromagnetic core moves within the coil assembly the coupling between

the primary and each of the two secondaries changes. As a result, the output voltage magnitude changes from

the null, which occurs when the core is centered. Quelle: www.sensedu.com Besonderheit: Die Induktivität der

zwei Spulen ändert sich gegenläufig: linearer, temperaturkompensierter Verlauf der Induktivitätsdifferenz

(Brückenauswerteschaltung).

113


7.4.2.1 Typische Kenndaten (Tauch- und Queranker)

Messweg

0,1 .. 10 cm (halbe Baulänge einer Differentialdrossel)

Auflösung

• bis herab zu einigen Nanometern

Neben dreidimensionalen (gewickelten) Spulen

können auch planare Schneckenspulen - z.B. in

Dickfilmtechnik - als induktiver Sensor verwendet

werden. Die Abbildung zeigt eine typische Schnecke,

aus einer Cu-kaschierten Platine geätzt. Rückseitige

Belegung mit einer Ferritplatte würde die Induktivität L

nahezu verdoppeln und als magnetische Abschirmung

dienen. Planare Schneckenspule, geätzt aus

Platinenmaterial (25 µm Cu) Quelle: [1]

• Abweichung von Ideal-Kennlinie (Gerade bzw. Hyperbel: einige % FS)

• Lastspiele: nahezu beliebig

• Einsatztemperatur: -150/+150 °C (+8oo °C)

Charakteristik

Vorteile

• berührungslose Messung (keine Reibung, kein Verschleiß, Messung an bewegten

Objekten möglich)

• magnetische Rückwirkungskraft sehr klein

• keine Beeinträchtigung durch Schmutz, Staub ...

• sehr hohe Auflösung

Nachteile

• Speisung mit Wechsel- einfache Spannung erforderlich Elektronik (5o Hz, 5 kHz

erforderlich

• mäßige Signalleistung

• erhebliche Nichtlinearität

• keine Möglichkeit für maßgeschneiderte Kennlinie

• nur für kleine Wege

114


• erhebliche Temperatur- und Feuchteabhängigkeit.

7.4.2.2 Typische Anwendungsgebiete

Tauchankersysteme als Standardaufnehmer der Labortechnik, z.B. für Kfz, in der

Werkstoffprüfung (Zugversuch), Bauingenieurwesen. Als Wegsensor in Druck- und

Kraftaufnehmern, als Füllstandsmessgerät weit verbreitet, in der Fertigungsautomatisierung,

im CD-Optokopf (Autofocus-Regelkreis). Querankersysteme (magnetisch und

Wirbelstrom) als Endschalter, in der Werkstoffprüfung (Schichtdicke, Rissprüfung,

Bestimmung des Flächenwiderstandes), hochauflösend in Rauhigkeitsmessgeräten.

Eine Sonderanwendung des induktiven Weg-Sensorkonzepts stellt eine zylindrische

Spiralfeder dar: Axiale Belastung streckt diese Feder, steigert somit deren

Feldlinienlänge l und reduziert damit die Induktivität. Anwendung in einem

Stoßdämpfer.

7.4.3 Kapazitive Weg- und Winkelsensoren

C=ε

⋅ε

o r

A

d

mit ε0:Elektrische Feldkonstante = µ0·c 2 = 8,8542·10 -12 F·m -1

εr: Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen den Kondensatorplatten

A: Fläche der Kondensatorplatten

d: Abstand der Kondensatorplatten

115

Kapazitive Weg-/Winkelsensoren. In den

Kapazitätswert C eines Kondensators gehen die

Fläche A der Platten, deren gegenseitiger

Abstand l sowie die relative Permittivität εr des im

Feldraum befindlichen Dielektrikums ein. Alle drei

Größen können durch die Messgröße x bzw. φ zu

Sensorzwecken verändert werden. Es ergeben

sich dann die Kennlinien gemäß nebenstehendem

Bild. Da die mit einfachen Kondensatoren

erreichbaren Kapazitätswerte i.A. deutlich unter

100 pF liegen, wird bisweilen auf eine

Stapelbauweise zurückgegriffen.


116

Neben dem Parallelplattenkondensator werden

koaxiale Ausführungen verwendet. Bei dieser

Bauweise ist die Invarianz gegenüber parasitären

Radialbewegungen (dC/dr = o) vorteilhaft. Wegen

des üblicherweise geringen Luftspalts koaxialer

Kondensatoren können diese als abgewickelter

Plattenkondensator berechnet werden.

Kapazitiver Winkelaufnehmer: c Gestapelter

Drehkondensator, d Differential-Drehkondensator,

e Nichtlinearer Drehkondensator

Die Attraktivität kapazitiver Sensoren resultiert aus dem sehr einfachen Aufbau, mehr noch

aus der Tatsache, dass mit dem üblichen Dielektrikum Luft (εr=1+0,00055·p/bar) im

Gegensatz zu ohmschen und induktiven Sensoren (ρ, µr!) praktisch keine

Materialkennwerte wirksam werden. Damit entfallen wesentliche Ursachen für

Fertigungsstreuungen, Alterung und Temperaturabhängigkeit. Problematisch bleibt die

Luftfeuchte, besonders Betauung. Der Temperaturgang von Luftkondensatoren resultiert

nur aus der thermischen Ausdehnung der Konstruktionsmaterialien (Elektroden, Isolatoren).

Für Präzisionsanwendungen empfiehlt sich z.B. Quarzglas (geringer T-

Ausdehnungskoeffizient; siehe Grafik bei T-Sensoren) mit Dünnfilm-Elektroden aus Au und

das Differentialprinzip. Muss stattdessen nur mit festem Referenzkondensator gearbeitet

werden, so sollte dieser weitestgehend baugleich dem Messkondensator sein.

Abweichungen von den Idealkennlinien ergeben sich durch Streufelder und

Zuleitungskapazitäten sowie durch Unebenheiten/Nichtparallelität der Elektroden. Gegen

die beiden erstgenannten Einflüsse empfehlen sich potentialgesteuerte Schutzelektroden

(guard-ring). Diese nicht in den Signalfluss einbezogenen feldsteuernden Zusatzelektroden

können auch zu einer Feldfokussierung herangezogen werden. Ist ein Messobjekt nur

einseitig zugänglich, so werden auch Lateral-Plattenkondensatoren eingesetzt.

7.4.3.1 Typische Kenndaten

Messweg

• 0,1 ... 3 cm (halbe Baulänge eines koaxialen Differentialkondensators)

Auflösung

• bis unterhalb 0,1 nm!

• Abweichung von der Ideal-Kennlinie: einige % FS

• Lastspiele: nahezu beliebig

• Einsatztemperatur: Tieftemperatur bis ca. +8oo°C (Isolation!)

Charakteristik

Vorteile


• berührungslose Messung (keine Reibung, kein Verschleiß)

• Rückwirkungskraft extrem gering

• sehr geringer Leistungsbedarf

• Kennlinie maßschneiderbar

• extrem hohe Auflösung und Langzeit-Stabilität

• geringer Temperatur-Koeffizient - hochtemperaturgeeignet

Nachteile

• Speisung mit Wechselspannung erforderlich, z.B. 5o kHz Elektronik

• geringe Signalleistung

• Nichtlinearitäten

• empfindlich gegen Schmutz, Feuchte, Staub, Elektrodenkorrosion.

(→ hochwertige Elektronik erforderlich)

Typische Anwendungsgebiete Präzisions-Weg-/Winkelmessung, weit verbreitet in

Druckaufnehmern (auch Kfz), Vakuummessgeräte, Badezimmerwaagen,

Füllstandsmessung.

7.4.3.2 Kapazitiver Füllstandssensor

Kapazitiver Aufnehmer: Zylinderkondensator. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn,

Mechatronik und Dynamik

117


7.4.4 Zusammenfassung: Geometriemessung durch modulierte passive Zweipole

Quelle [1]

118


7.5 Optische und andere Koordinaten (Ort und Winkel) Positionsaufnehmer

Die klassischen Sensoren für diesen Bereich sind Potentiometer, lineare oder

Drehwiderstände, die – direkt oder über mehr oder weniger aufwendige Getriebe mit der

Messstelle verbunden, mit konstantem Strom oder konstanter Spannung betrieben – eine

orts- oder winkelabhängige Spannung liefern.

Für höhere Genauigkeiten können bei kleinen Wegen kapazitive oder piezoelektrische

Prinzipien verwendet werden, bei größeren optische Phasenmessungen (Interferometer),

bei sehr großen optische oder elektrische Laufzeitmessungen. Im

Werkzeugmaschinenbereich werden derzeit hauptsächlich exakte mechanische Maßstäbe

oder Teilscheiben verwendet, die optoelektronisch abgelesen werden.

Unterschieden werden können dabei:

• Inkrementale Geber mit gleichmäßig verteiltem Raster: Hell/Dunkel Wechsel auf die

Verschiebung relativ zur Ausgangslage

• Codierte Weg- und Winkelaufnehmer (Encoder), die mit dem bewegten Maßstab

verbunden ist. Auf Spezialglassubstrate werden hochgenaue Teilungen oder

Kodierungen aufgedampft. Bei den absoluten Encodern entspricht dabei jedes

Codemuster genau einem Messbereich. Die Anzahl der Kanäle bestimmt die

Auflösung und Messgenauigkeit. Dem Vorteil der jederzeitigen Kenntnis der

absoluten Lage steht als Nachteil der hohe Preis gegenüber. Einfacher aufgebaut

sind die gewöhnlichen, relativen Encoder, bei denen nur zwei Kanäle verwendet

werden. Bei ihnen kann durch einfaches Zählen auf den zurückgelegten Weg oder

Winkel geschlossen werden. Dies macht es erforderlich bei der erstmaligen

Inbetriebnahme die Ausgangslage auf geeignete Weise (z.B. Referenzierung) zu

bestimmen.

Die Abtastung erfolgt in der Regel mechanisch, induktiv und optisch.

Bei der optischen Abtastung liegt im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem

Photodetektor das Raster mit seinen lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen

Segmenten. Die Ausgangsspannung des Detektors ändert sich bei einer Bewegung des

Rasters in Abhängigkeit von der Beleuchtung ungefähr dreieckförmig. Sie wird in einem

Komparator mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und in ein binäres

Signal umgesetzt. Die dabei entstehende Folge von rechteckförmigen Impulsen wird

auf einen Zähler gegeben, der z.B. die ansteigenden Flanken erfasst. Der Zählerstand

ist dann ein Maß für die Strecke, die das Werkstück zurückgelegt hat. Durch

Nullstellen des Zählers kann der Anfangspunkt der Messung beliebig innerhalb des

Messbereichs verschoben werden.

7.5.1 Inkrementale Orts- und Drehwinkel-Sensoren

Dauermagnetscheiben, Zahnscheiben oder Strichscheiben werden magnetisch, induktiv

oder optisch abgetastet.

Vorteil: Einfaches Verfahren

Nachteil: Bei Absolutmessungen werden durch jeden Zählfehler die folgenden Messwerte

falsch.

119


Optischer inkrementaler Längengeber Schema, Raster

1, Blende 2, spannungsliefernder Photodetektor 3

Umsetzung des dreieckförmigen Intensitätssignals in

Binärwerte durch Schwellwertbetrachtung in einem

Impulsformer

Richtungsunabhängige Anzeige. Die bis jetzt besprochene Ausführung zählt jeden Hell-

Dunkel-Übergang, unabhängig davon, ob sich das Raster nach rechts oder links bewegt.

Sie lässt sich noch dahingehend verbessern, dass auch bei beliebiger Bewegung

des Rasters der Zählerstand die eingenommene Position richtig wiedergibt. Dies gelingt

durch die Verwendung von zwei Photodetektoren, die um ein Viertel des Rasterabstands

versetzt angeordnet werden.

Die Ausgangsspannungen dieser Detektoren werden wieder in binäre Signale

umgesetzt und auf ein D-Flipflop* gegeben. Das Signal des Empfängers 1 liegt am D-

Eingang, das des Empfängers 2 steuert den Takteingang.

* In electronics and computing, the flip-flop or bistable multivibrator is an electronic circuit

which in its simplest form consists of two transistors (or vacuum tubes) connected in such a

way that the circuit can be in one of two stable conditions. A trigger applied at an

appropriate point can cause the circuit to flip from one state to the other. A trigger at

another point can cause the circuit to flop back to the other state. It is also possible to

arrange it so that repeated triggers at one point cause it to change state back and forth. A

D flip-flop records an input's state (the data) when a clock is pulsed. This is called a D-type

(for "data") flip-flop. The D is also said to be for "delay", since the data arrives at the output

one clock cycle after it arrives at the input. A circuit symbol for a D-type flip-flop, where > is

the clock input (K2), D is the data input (K1) and Q is the stored data output. Characteristic

120


equation: Qnext = Q= D; Q = Not Q. Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Flip-flop

Wird das Raster nach rechts, vorwärts bewegt, so liefert der Empfänger 1 das schon vom

vorherigen Bild bekannte Signal. Der Empfänger 2, der direkt an einer Hell/Dunkel-Grenze

steht, wird jetzt für eine halbe Rasterlänge beleuchtet und liefert für diese Strecke sein 1-

Signal. Entsprechend dem räumlichen Abstand der Detektoren sind also auch ihre Signale

verschoben. Das angeschlossene D-Flipflop schaltet bei der ansteigenden Flanke des

zweiten Signals (Empfänger 2 an „>“-Eingang). Zu diesem Zeitpunkt ist das am D-Eingang

liegende Signal des ersten Empfängers immer im Zustand 1. Damit ist bei einer

Rasterbewegung nach rechts das D-Flipflop immer gesetzt mit Q = 1, Q = 0.

Bei einer Verschiebung des Rasters nach links, rückwärts, ändert sich das Signal des

ersten Empfängers nicht; das des zweiten ist zuerst 0 (das Raster schiebt sich in den

Strahlengang des Empfängers 2) und dann 1. Damit ist zum Zeitpunkt der ansteigenden

Flanke (Signal 2) der D-Eingang (Signal 1) immer mit einer 0 belegt. Das Flipflop bleibt

immer rückgesetzt mit Q = 0, Q = 1.

Die Ausgangssignale Q und Q des D-Flipflops hängen von der Bewegungsrichtung ab. Sie

werden benutzt, um die Zählrichtung eines Vorwärts-Rückwärtszählers umzuschalten.

Dessen Zählerstand ist dann ein Maß für die Position des Rasters.

Die feinsten zur inkrementalen Wegmessung benutzten Strichgitter haben einen

Rasterabstand von einigen µm und ermöglichen Messungen in diesem Bereich. Hier ist es

nicht mehr sinnvoll, die Abmessungen der Lichtquelle und des Detektors kleiner als den

Strichabstand zu wählen. Das Messsignal wäre für eine sichere Auswertung zu schwach.

Durchlichtabtastung eines linearen Inkrementalmaßstabes (Glas/Chromschicht) (Heidenhain) Quelle: [1]

121


7.5.1.1 Inkrementale Drehwinkel-Sensoren

Inkrementale Drehwinkel-Sensoren: Induktiv (l),

magnetisch (m, Dauermagnetscheiben), optisch (r,

Strichscheiben); Teilscheibe eines inkrementellen

Drehgebers (nebenstehend rechts)

Beispiel: Konventionelle Computer-Maus

Typische Werte für die Genauigkeit bei der Winkelmessung liegen bei 500 bis 4000

Impulsen pro Umdrehung.

Vorteile

• höhere Auflösung,

• einfacherer, damit kleinerer und kosten günstigerer Aufbau,

• beliebige Nullpunktverschiebung,

• beliebige Zählrichtung.

Nachteile:

• durch jeden Zählfehler werden die nachfolgenden Messwerte falsch,

• zählt eventuelle elektrische Störimpulse,

• verliert den Messwert bei Ausfall der Energieversorgung.

7.5.1.2 Wegmessung mit Moiré-Glasmaßstäben

Die Auflösung oben erwähnter Methoden kann mit Hilfe des Moire-Effekts erhöht werden.

Das über dem Glasmaßstab geführte Gegengitter ist zum Messgitter (Strichteilung) um

einen sehr kleinen Winkel geneigt.

Bei Bewegung des Messgitters wandern Hell-Dunkel-Streifen senkrecht zur Längsrichtung

des Glasmaßstabes.

122


Eine Auflösung bis 1 pm ist erreichbar. Messfehler entstehen lediglich durch Gitter-

Fertigungsfehler, die sich als Wellen in den Moiré-Streifen zeigen.

7.5.1.3 Inductosyn Ort- und Winkelsensoren

Induktive Weg- oder Winkelmessung mit dem Inductosyn:

123


Das Inductosyn besteht aus einer Skala mit mäanderförmiger Leiteranordnung und einem

Gleiter mit zwei um eine Viertel-Polteilung versetzte kurze Mäander. Der Gleiter

bewegt sich mit einem geringen Luftspalt über der Skala (Verstellung durch Messobjekt).

Die Leiteranordnung der Skala wird mit Wechselstrom gespeist. In den beiden

andern des Gleiters entstehen zwei um 90° phasenverschobene Spannungen

(Transformatorprinzip), die z.B. wieder in ein D-Flip-Flop eingespeist werden können.

Polteilung 0,5 ... 2 mm. Das Inductosyn-Prinzip kann sowohl für Linearbewegungen als

auch für Kreisbewegungen (Skala scheibenförmig) angewendet werden.

Rotary Inductosyn® position transducers which provide incremental position data are

usually combined with analog to digital conversion electronics to provide an incremental

data output format.

All Inductosyn® position transducers can provide absolute position data if the required

range of absolute measurement is less than one electrical cycle. Often, the range of

absolute measurement must be a full revolution, 360°, or a significant portion of the

revolution. Transducers with only one or two electrical cycles per revolution are not capable

of providing high accuracy or high resolution; therefore the solution is to incorporate multiple

patterns on one unit.

124


There are two common design approaches to these units. The first combines a coarse one

cycle pattern with a fine multi-cycle pattern. The outputs of each pattern are digitized and

combined in synchronization or "correlation" logic to provide an output that is both accurate

and absolute.

The second approach uses an N/N-1 method which features two multi-cycle patterns that

differ by one cycle over the range of absolute measurement. The outputs of these two

patterns are digitized and subtracted. The result of this subtraction is digital coarse data

which is then combined with one of the digitized fine outputs to provide an output that is

again accurate and absolute.

Eigenschaften

• High angular accuracy: +1 arc second standard, +0.5 arc second, select.

• Can be directly mounted to the axis of rotation.

• Can withstand conditions ranging from cryogenic temperatures and hard vacuum to

high temperatures and pressures.

• Non-contacting elements have zero wear

• No adjustment or lubrication ever required.

• Accuracy, resolution, and repeatability are unaffected by temperature.

Quelle: http://www.ruhle.com/rotary%20transducers.htm

Anwendungen

Numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen

Inductosyn® transducers have been used on virtually every moving axis on every type of

machine tool. It is common to find a rebuilt machine tool with a new digital readout or

numerical control system that utilizes the original linear and rotary Inductosyn scales

installed 20 or even 30 years ago. Other applications include telescope pointing, cryogenic

chambers, automatic gauge control systems for rolling mills, precision robotics, and special

test or calibration systems.

7.5.1.4 Magnetische Winkelsensoren

Hallsensor. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek,

Universität-GH Paderborn, Mechatronik und

Dynamik

Hallschranke: Magnetische Sensoren, die nach dem Hall-

Prinzip arbeiten (werden z.B. als Messschranken in

Zündverteilern eingesetzt. Der eingezeichnete

Magnetfluss wird durch die Blende kurzgeschlossen,

125


wodurch der Hall-Sensor das Eintauchen der Blende als

Absinken des magnetischen Feldes detektiert. Quelle:

Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn,

Mechatronik und Dynamik

Magnetostatischer Inkrementalmaßstab. Abtastung durch Metallfilm-Magnetowiderstand (Sony)

Bei einigen Halbleitern, z.B. Indiumantimonid, hängt der elektrische Widerstand quadratisch von der

126


magnetischen Feldstärke ab (sog. GAUSS-Effekt). Die damit gebildeten Feldplattensensoren können, wie in Bild

2.12 schematisch dargestellt, zur Positionsmessung eingesetzt werden, wenn das Messobjekt aus einem

weichmagnetischen Werkstoff besteht. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn,

Mechatronik und Dynamik.

7.5.1.5 Optische Maus

Die zweite Art von Maus ist die optische Maus. An der stelle, wo in der mechanischen Maus

die Kugel sitzt, befindet sich in der optischen Maus eine Leuchtdiode und eine CMOS-

Fototransistorarray. Mit Hilfe dieser beiden Bauelemente tastet die Maus ein Raster auf der

Unterlage ab. Die Maus erkennt dadurch die Richtung und die Geschwindigkeit der

Bewegung. Diese Informationen werden an den Computer gesendet.

If you took apart an optical mouse and looked inside, you’d find a complete imaging system.

The mouse is essentially a tiny, high-speed video camera and image processor. As shown

in Figure 1, a light-emitting diode (LED) illuminates the surface underneath the mouse. The

light from the LED reflects off microscopic textural features in the area. A plastic lens

collects the reflected light and forms an image on a sensor. If you were to look at the image,

it would be a black-and-white picture of a tiny section of the surface. The sensor

continuously takes pictures as the mouse moves. The sensor takes pictures quickly—1500

pictures (frames) per second or more—fast enough so that sequential pictures overlap. The

images are then sent to the optical navigation engine for processing.

Optical mice illuminate an area of the work surface with an LED, to reveal a microscopic pattern of highlights and

shadows. These patterns are reflected onto the navigation sensor, which takes pictures at a rate of 1500 images

per second or more. Quelle: www.agilent.com

127


The Navigation Engine identifies common features in sequential images to determine the direction and amount of

mouse movement. Image B was taken while the mouse was moving, a short time after image A. It shows the

same features as image A, only shifted down and to the left. Quelle: www.agilent.com

7.5.1.6 Faseroptische Positionssensoren

Auch optische Systeme, wie der im nachfolgenden Bild dargestellte faseroptische

Positionssensor, Laser- Interferometer oder faseroptische Kreisel können zur Messung

geometrischer und kinematischer Größen herangezogen werden.

Faseroptischer Positionssensor. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn, Mechatronik

und Dynamik

128


7.5.2 Kodierte absolute Orts- und Drehwinkel-Sensoren

Bei der Absolutwertmessung wird eine Mehrkanal-Kodierscheibe (Winkel) oder ein

Mehrkanal-Kodierlineal (Weg) verwendet, das in den meisten Fällen optisch ausgewertet

wird. Es kann sich um reflektiertes oder reflektiertes Licht handeln oder im mechanischen

Fall ein Schleiferkontakt sein. Die Mehrkanal-Kodierung erfordert für jeden Kanal einen

separaten Transducer (Abtastsystem), was eine präzise Justierung erforderlich machen

kann. Das Ausgangssignal ist in der Regel binärer Natur (0 oder 1: dunkel oder hell).

Absolut codierte Weg-/Winkelaufnehmer Code-Lineale/Scheiben enthalten die zu

messende Position als codierte Zahl, die demnach statisch ausgelesen werden kann. Die

verwendeten Codes sind Dual = binär, Gray und binär codiertes Dezimalsystem (BCD). Der

Dualmaßstab kann als Staffelung von n Inkremental-Maßstäben mit jeweils verdoppelter

Teilungsweite verstanden werden, wobei das least significant bit (LSB) (2 0 ) die Auflösung,

das most significant bit (MSB) (2 n-1 ) die Eindeutigkeit repräsentiert. Im Gegensatz zum

Dualcode besitzen die einzelnen Spuren im Graycode keine feste Wertigkeit. Dessen

Bildungsgesetz lautet: Beginn wie Dualcode, dann: Bei Wechsel des Zustandes einer

gröberen Bahn werden alle davor liegenden Codewörter gespiegelt wiederholt. Dies führt zu

dem symmetrischen Erscheinungsbild. Der Vorteil dieses Graycodes ist seine

„Einschrittigkeit", d.h. nur eine Bahn wechselt jeweils ihren Zustand, im Gegensatz zum

Dualcode, bei dem z.B. beim Übergang der Zahl 7 zur Zahl 8 die Spuren 2 0 , 2 1 und 2 2 auf

logisch Null fallen, während die Spur mit der Wertigkeit 2 3 auf „high" geht, also alle vier

Spuren schalten. Dies kann bei nicht-exakter Ausrichtung der vier Lichtschranken in der

Nähe des Schaltpunktes zu ganz erheblichen Sprüngen in der Kennlinie führen.

Demgegenüber beträgt der Fehler bei Graycodierung maximal eine Einheit. Offensichtlicher

Nachteil des Graycodes ist das Fehlen einer Bahnwertigkeit; Eine Wertzuweisung muss

also über eine lookup-Tabelle erfolgen, in der einem Auslese-hell-dunkel-muster jeweils ein

Wert zugewiesen ist.

Die etwas aufwendige übliche Behebung des mit seiner Mehrschrittigkeit verbundenen

Problems des Dualcodes zeigt die (redundante) V-Abtastung: Von den alternativen

Schranken Ai und Bi wird die Bi-Schranke ausgewertet, wenn die nächst niedrigere Spur (i-

1) auf logisch Null steht; umgekehrt wird die Schranke Ai verwendet, wenn die

vorhergehende Spurauswertung (i-1) logisch „1" anzeigt. Das seltener vorzufindende BCD-

Lineal eignet sich für numerische Anzeigen.

129


Dual-, Gray- und BCD-Codelineal. Die V-Abtastung des Dual-Codes zeigt die jeweils auszuwählende Schranke

(schwarz)

Vorteile:

• statisch auslesbar, auch nach Spannungsausfall oder Maschinenstillstand,

• störsicher, da beliebig lange, wiederholbare Auslesung.

Nachteile:

• geringere Auflösung,

• komplizierter, empfindlicherer Aufbau, - vorgegebener Nullpunkt, - vorgegebene

Zählrichtung,

• erforderliche Spurenzahl steigt mit Vergrößerung der relativen Auflösung.

Dual kodiertes Lineal

Binäre Kodierung über Schleifkontaktauslesung

(weiße Bereiche: elektrische Isolationsschicht) Die

einzelnen Bahnen sind zusätzlich gegeneinander

elektrisch isoliert.

Absolutencoder mit 4 Kanälen = 4 bit = 2 4 = 16 Positionen.

Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH

Paderborn, Mechatronik und Dynamik

130


Teilscheibe eines eines Code- Drehgebers(entnommen einem Katalog der Firma Heidenhain, Traunreut). Die

Code-Teilscheibe ist im Gray-Code kodiert, einem binären Code, bei dem sich von einem Wert zum nächsten

immer nur ein Bit der Kodierung verändert; auf diese Weise können keine Ablesefehler auftreten, wenn die

Scheibe zwischen zwei Werten steht. Quelle: mdv.pdf, Elektronische Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler,

Universität Osnabrück Wintersemester 2003/04. Rechts: Multiturn-Code-Winkelaufnehmer (Vordergrund:

Primärer 360°Aufnehmer; im Hintergrund: zwei Umdrehungszähler SAI und SAII) (nach Heidenhain)

Die mit solchen Teilscheiben aufgebauten inkrementellen Drehgeber liefern in der Regel

zwei um π/2 gegeneinander phasenverschobene Sinusspannungen, die in der zugehörigen

Anzeigeelektronik ausgewertet werden. Die aktuelle Winkelposition kann über eine

Standardschnittstelle (seriell oder parallel) in einen angeschlossenen Rechner übernommen

werden. Benötigt man die Messpunkte in schneller Abfolge, bietet es sich an, die

Sinussignale über Analog-Digital-Wandler direkt vom Rechner zu erfassen und

auszuwerten. Die mechanische Genauigkeit der Teilscheiben und der optoelektronischen

Ablesung ist so gut, dass pro Sinusperiode mehrere hundert Subschritte interpoliert werden

können. Damit kann eine Genauigkeit der Winkelmessung erzielt werden, die in der

Größenordnung von 1/1000 Grad liegt.

7.5.2.1.1 Spezifikationsübersicht von linearen bzw. Winkel-Inkrementalgeber

Repräsentative Kenndaten von digitalen Wegmessaufnehmern und

Winkelmessaufnehmern eines deutschen Herstellers. Quelle: [1]

131


7.5.2.2 Beispiel für einen bildgebenden Höhen- bzw. Abstandssensor –

Rasterkraftmikroskop (scanning force microscope: SFM, atomic force microscope:

AFM)

Bei der AFM werden Wechselwirkungskräfte zur Abbildung ausgenutzt: einerseits die

anziehenden van der Waals-Kräfte und andererseits die abstoßenden Coulomb´schen

Wechselwirkungskräfte. Diese wirken auf eine an einem Federbalken aufgehängte Spitze,

was eine Verschiebung des Federbalkens zur Folge hat - optisch nachweisbar mittels des

Lichtzeiger-Prinzips: ein Laserstrahl trifft auf die Rückseite des Balkens und wird an einer

segmentierten Photodiode reflektiert. Da die Kraft zwischen Probe und Spitze – und somit

die Verbiegung des Cantilevers – per Mechanismus konstant gehalten wird, kann die z-

Position der Spitze registriert werden. Die Probe wird in x, y-Richtung unter Zuhilfenahme

von Piezoelementen gerastert, so dass aus den Bewegungen in x, y,- und z-Richtung die

Oberflächenstruktur abgelesen werden kann.

132


Das Prinzip der AFM Quelle: http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/rtm/rtm.htm und

http://www.nanotruck.net/praesentationen/folien/pdf-print/Teil1Wiss-techn.pdf

133


7.5.3 Weitere Positionsbestimmungssensoren

Weitere Systeme, die zur Messung von Position und Geschwindigkeit genutzt werden

können sind Ultraschall-Meßsysteme, bei denen Laufzeitmessungen zur Bestimmung von

Abständen genutzt und (Doppler-) Frequenzverschiebungen zur Geschwindigkeitsmessung

verwendet werden.

134


Weitere Positionsbestimmungssensoren - Ultraschall-Abstandssensoren

Zur Messung von Position und Geschwindigkeit sind Ultraschall-Meßsysteme geeignet, bei

denen Laufzeitmessungen zur Bestimmung von Abständen genutzt und (Doppler-)

Frequenzverschiebungen zur Geschwindigkeitsmessung verwendet werden.

Prinzip: Schall-Reflexion und Streuung an Objekten; Frequenzbereich: 30 – 400 kHz.

Vorteile von Ultraschall-Distanzsensoren:

Wie optische oder induktive Sensoren und damit anders als berührende

Sensoranordnungen besitzen Distanzsensoren den Vorteil, dass

• sie außerhalb des Bereichs, in dem die zu erfassenden Objekte zu erwarten sind,

angeordnet werden können und so eine gegenseitige Störung zwischen Sensor und

Objekt vermieden wird. Insbesondere können durch rechtzeitige Erfassung der

Objekte Kollisionen verhindert werden.

• ihre Funktion und Genauigkeit nicht durch Abnutzung beeinträchtigt wird.

Forderungen an den Sensor:

• Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse

• großer, variabel einstellbarer Messbereich

• hohe Ortsselektivität

• Robustheit, Langzeitstabilität

• möglichst geringer Umfang der anfallenden Datenmenge, geringe Redundanz

• Möglichkeiten einer effektiven Weiterverarbeitung der Informationen

Typen: Luftultraschall-Distanzsensoren

Unterscheidung dreier Reflexionsstreuer

Punktstreuer: Als Punktstreuer werden solche Streuobjekte bezeichnet, deren lineare

Abmaße deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Schalls. An ihnen tritt ungerichtete

Streuung auf. Sie sind somit von allen Seiten sichtbar, eine Ausrichtung zum Wandler ist

nicht notwendig. Die Signalleistung ist jedoch meist extrem gering. Punktstreuer sind daher

oft schwer zu detektieren. Das Objekt wirkt wie eine Punktquelle mit einer Sendeleistung,

welche proportional zur Intensität Ieinf des auf das Objekt auftreffenden Schalls ist. Da die

Intensität des Echos Irefl ebenfalls mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, wird die

reflektierte Schallwelle also mit dem Faktor 1/r 4 gedämpft am Sendepunkt empfangen.

Ursachen dafür sind

• die sog. „Schalldivergenzdämpfung“, die entfernungsabhängige Aufweitung des

Schallbündels, und

• die „Ausbreitungsdämpfung“ (Schallabsorption: Umwandlung der Schallenergie in

Wärme) des schallübertragenden Mediums.

135


Die Intensitätsabnahme wird unter Vernachlässigung der Absorptionsdämpfung unter

Fernfeldbedingungen durch die sog. „Radargleichung" (in Luft!) beschrieben:

Punktstreuer wirkt wie eigener Sender, der in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt:

wobei σ die effektive Reflexionsfläche des Reflektors und r den Abstand Sensor-Reflektor

bezeichnen. IS ist die auf den Normabstand r1 bezogene Sendeleistung.

Die Ausbreitungsdämpfung ist von der Beschaffenheit des Ausbreitungsmediums abhängig

(Luft: 0,01 dB pro cm (bzw. pro Wellenlänge), dagegen CO2: 2 dB/cm oder N2O (Lachgas):

6 dB/cm). Dadurch ergeben sich andere exponentielle Faktoren in der Intensitätsgleichung.

Ultraschall-Entfernungssensoren müssen also auf die entsprechende Atmosphäre, in der

sie verwendet werden sollen, geeicht werden (z.B. unter Wasser oder bei

Raumfahrtmissionen auf anderen Planeten).

Zur Erläuterung der Radargleichung für Wandler und Reflektor als Punktquellen.

Linienstreuer: Zum Erkennen einer Linie ist die senkrechte Ausrichtung des Wandlers zum

Linienstreuer notwendig. Der Wandler kann auch um die Linie rotiert werden. Das Maß der

rückgestreuten Schallenergie ergibt sich für einen Linienstreuer als einer Vielzahl von

Punktstreuern in eindimensionaler Anordnung aus der Integration der Intensität von

Punktstreuern über die Ausdehnung der Linie. Die Intensität der empfangenen Schallwelle

nimmt mit 1/r 3 ab:

136


Erheblich größere Signalleistung als für Punktstreuer: Erleichterung der Detektion.

Reflektierende Fläche: Eine ebene Fläche weist eine ausgeprägte räumliche Richtwirkung

auf. Eine Ausrichtung des Wandlers sowohl in Elevations- als auch in Azimutalrichtung ist

zur Detektion der reflektierten Signale folglich unumgänglich. Die Signalleistung am

Empfänger ist groß im Vergleich zum Punkt- und Linienstreuer. Bei einem Abstand r

zwischen Wandler und reflektierender Fläche wird die Intensität der Schallwelle proportional

zu 1/(2r) 2 gedämpft, da sich der Schallkegel über die Entfernung 2r gleichmäßig aufweitet

(virtuelle Schallquelle im Abstand 2r vom Empfänger):

Prinzip der Abstandsmessung

Einfachen Bestimmbarkeit der Laufzeit eines reflektierten Ultraschallimpulses erlaubt eine

genaue Abstandsmessung. Die Entfernung d zum Objekt ergibt sich somit aus folgender

Beziehung:

Die Ultraschallsignale bestehen in der Regel aus Paketen mit einer Anzahl von

Schwingungen (typisch 5 ... 100), die auf die Betriebsfrequenz des Sendewandlers

abgestimmt sind. Die gesendeten Signale pflanzen sich mit der Schallgeschwindigkeit c im

Ausbreitungsmedium fort und werden von einem Objekt im Abstand d reflektiert. Das Echo

erreicht nach einer Laufzeit τ den Empfangswandler und wird von diesem in elektrische

Empfangssignale umgewandelt.

Die empfangenen Signalamplituden hängen von

ab.

der Entfernung des Sensors von den reflektierenden Flächen des Objektes

• vom Reflexionsverhalten der Oberflächen (d.h. von deren Größe, Ausrichtung und

Textur)

137


Impuls-Echo-Prinzip für eine Objektszene mit zwei Reflektoren in unterschiedlichem

Abstand vom Sensor; darunter das Empfangssignal

Verhinderung der Auslöschung des Empfangssignals durch Interferenz des Echos mit dem

Sendesignal über Aussendung von nicht nur einer einzigen Frequenz, sondern sequenziell

von mehreren aufsteigenden Frequenzen.

Präsenzdetektion

Test, ob ein Objekt anwesend (präsent) ist oder nicht: Auswertung der Laufzeit des

Ultraschallimpulses. Zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten und Störeinflüssen kann der

Auswertebereich in axialer Richtung durch ein bezüglich des Sendezeitpunktes definiertes

zeitliches Intervall, ein Zeitfenster, festgelegt werden. Es wird also nur ein bestimmter

Entfernungsbereich ausgewertet, davor- und dahinterliegende Bereiche werden

ausgeblendet.

Durch Definition mehrerer aufeinanderfolgender Zeitfenster wird das Empfangssignal

zeitlich „abgetastet". Dem Zeitfenster wird eine logische 1 zugeordnet, wenn in seinem

Zeitintervall ein Echo registriert wurde und sonst eine logische 0. Die logische Verknüpfung

der Ergebnisse von verschiedenen Zeitfenstern ermöglicht eine gezielte Analyse des

Empfangssignals. Mit ihrer Hilfe können Objekte nach ihrer Größe (a) unterschieden,

Muster erkannt (d) oder Bewegungen (c) registriert werden.

138


a, b, und d: Logische „UND“-Verknüpfung von Signalen aus zwei Zeitfenstern: Ti ((Stör-

)objekt) und dem invertierten Signal bei Tj (Reflektor) bzw. Ti-1 und Ti; a: großes Objekt steht

vor dem Reflektor: Output = high (H); b: Kein Objekt im Zeitfenster nahe des Sensors:

Output = H; c: Bewegungsrichtung nach rechts, wenn Objekt in beiden Zeitfenstern

erscheint: D-Flip-Flop-Ausgang = H; d: Grobstrukturerkennung eines Objekts über

Gatterbaustein.

139


Anwendungen

Mit Ultraschall-Präsenzdetektor gesteuerter Wasserhahn: Der Distanzsensor gibt bei

vorliegendem Signal (Hand im Erfassungsbereich) die Wasserzufuhr frei.

Bewegungsdetektion mit Dopplerverfahren

Relative Bewegung zwischen Sensor und Reflektor: Bei einem Abstand l zwischen Sender

und reflektierendem Objekt beträgt die Lauflänge des Schalls 2l. Damit besteht zwischen

Sende- und Empfangssignal eine Phasendifferenz φ, welche sich aus dem Laufweg und

der Wellenlänge ergibt:

140


ω bezeichnet die Mittenfrequenz der Schallwelle, c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Bei

einer Änderung des Abstandes um dl oder der Frequenz um dω verändert sich der

Phasenwinkel um d φ:

Die zeitliche Änderung der Phasendifferenz, die sich aus einer Relativbewegung v = dl/dt

zwischen Sensor und Reflektor oder einer zeitlichen Änderung der Frequenz mit der

Änderungsgeschwindigkeit S = dω/dt ergibt, wird als Dopplerfrequenz ωD bezeichnet:

Bei fest vorgegebener Frequenz kann damit durch Auswertung der Dopplerfrequenz die

Relativgeschwindigkeit v bestimmt werden. Durch fortlaufende Integration von v wird eine

sog. „inkrementale" Wegmessung ermöglicht, d.h. es wird die Länge des vom Objekt

fortlaufend zurückgelegten Weges bestimmt, nicht aber dessen Absolutentfernung zum

Sensor.

Wird die Frequenz moduliert, dann kann auch der absolute Abstand zum Objekt bestimmt

werden: sog. FMCW-Doppler-Entfernungsmesser, die fortlaufend ein Signal aussenden

(engl. frequency modulated continuous wave), das eine periodische Frequenzmodulation

aufweist.

Ultraschallwandler – Wirkprinzipien und Bauweisen

• elektrostatisch

• elektrodynamisch

• magnetostriktiv

• piezoelektrisch

141


Bauformen

Lautsprecher- und Mikrophonprinzip: (a) Bei elektrostatischen Wandlern befindet sich eine

dünne Membran (1), durch einen isolierenden Spalt getrennt, gegenüber einer

Rückelektrode (2). Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Membran und

Rückelektrode wird eine elektrostatische Kraft auf die Membran ausgeübt. Durch

Überlagern dieser Gleichspannung mit einer Wechselspannung wird die Membran durch

elektrostatische Kräfte zu Schwingungen angeregt und strahlt dabei Schall ab. Umgekehrt

verursachen auf die Membran auftreffende Schallwellen elektrische

Wechselspannungssignale zwischen Membran und Rückelektrode. Die Gleichspannung

wird entweder über einen hochohmigen Widerstand zugeführt oder durch den internen

Elektret-Effekt erzeugt. (b) Der Wandler kann aus einer Vielzahl kleiner Partialwandler mit

hoher Resonanzfrequenz bestehen („SellWandler").

Auch bei elektrodynamischen Wandlern (c) wird der Schall mittels einer dünner Membran

erzeugt. Diese ist mit elektrischen Leitern gekoppelt, welche in einem Magnetfeld

angeordnet sind und bei Stromdurchfluss ihre Bewegung auf die Membran übertragen. Für

Ultraschall-Echolote werden derartige Wandler jedoch kaum eingesetzt.

Magnetostriktive Wandler (d) benutzen zur Schwingungserzeugung magnetostriktive

Materialien (wie z.B. Eisen, Nickel, Kobalt), die sich in einem Magnetfeld entsprechend

seiner Stärke zusammenziehen. Durch magnetische Wechselfelder können diese

Materialien zum Schwingen gebracht werden, wodurch Ultraschall erzeugt wird. Da die

Verformung von der Richtung des äußeren Magnetfeldes unabhängig ist, muss der

Wandler für linearen Betrieb vormagnetisiert werden. Magnetostriktive Wandler sind sehr

142


obust, werden aber aufgrund ihres komplizierteren Aufbaus mittlerweile weitgehend durch

piezoelektrische Wandler ersetzt.

Piezoelektrische Wandler (e) nutzen die Eigenschaft bestimmter kristalliner Materialien

(Quarz, Piezokeramik, Piezopolymer), bei mechanischer Deformation proportionale

elektrische Signale abzugeben (direkter piezoelektrischer Effekt) bzw. sich bei geeignet

angelegtem elektrischem Feld mechanisch zu verformen (indirekter piezoelektrischer

Effekt). Mit piezokeramischen Materialien, wie z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder

piezoelektrische Polymerfolien (PVDF), wird ein hoher Anteil der bei der mechanischen

Verformung aufgebrachten Arbeit in elektrische Arbeit umgewandelt und umgekehrt. Durch

eine zusätzliche Schicht aus Kunststoff einer geringen akustischen Impedanz kann die

Impedanzanpassung an Luft verbessert werden.

143


Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit

Inkrementale Wegsensoren (siehe voriges Kapitel) lassen sich zur Bestimmung von

Geschwindigkeiten heranziehen, indem neben den Inkrementen zusätzlich die Zeit für einen

Inkrementwechsel gemessen wird. Da die Inkremente mit dem zurückgelegten Weg bzw.

Winkel über Eichung korrelieren, lässt sich durch Division mit der Zeit die (mittlere)

Geschwindigkeit bzw. die Winkelgeschwindigkeit bestimmen.

Weginkrement

v µ

Zeit

ω∝

Winkelinkrement

Zeit

Magnetische Induktionssensoren

Messprinzip

Bewegt man einen Magneten durch eine Spule, so wird in der Spule - entsprechend dem

Faraday´schen Gesetz und der Lenz´schen Regel (die Induktionsspannung und der Strom,

den sie hervorruft, sind stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken)- eine

Spannung induziert, die proportional zur Geschwindigkeit des Magneten und seiner

Feldstärke ist. Geschwindigkeitssensoren dieser Serie arbeiten nach diesem Prinzip der

magnetischen Induktion.


dφ d(N× BA) × N× BdA ×

dl

m

Uind = E× dl =− =− =− ( =− N× By × =− N× By × × v)

dt dt dt dt

C

mit Фm: magnetischer Fluss, E: elektrisches Feld, N: Windungszahl, A: Spulenfläche, l:

Wegstrecke; (eigentlich ändert sich die Fläche der Spule nicht, wohl aber das effektive

Magnetfeld B; dennoch ist die induzierte Spannung prop. zur Geschwindigkeit des

Magnetkerns in der Spule.)

Ein relativ bekannter Sensor zur Messung von Geschwindigkeiten und Winkelgeschwindigkeiten dargestellte

Tachogenerator, bei dem die elektrische Spannung, die durch die Bewegung eines Permanentmagneten relativ

zu einer Messspule induziert wird ausgewertet wird. (Siehe auch Winkelgeschwindigkeit) Quelle: Prof. Dr.-Ing.

144


J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn, Mechatronik und Dynamik

Bewegen sich Nord- und Südpol eines Magneten axial in einer Spule, so induzieren sie je

gleichgroße, aber entgegengesetzte Spannungen, so dass die resultierende

Ausgangsspannung zu Null wird. Um das zu vermeiden, wurde die Spule in zwei

gegensinnig gewickelte Hälften unterteilt, so dass der Nordpol in einer Hälfte eine

Spannung erzeugt und der Südpol in der anderen Hälfte. Die Spulen sind in Reihe

geschaltet. Aus der Addition der Einzelspannungen ergibt sich ein zur linearen

Geschwindigkeit proportionales Ausgangssignal. Es besteht die Möglichkeit, die

Spannungen der beiden Spulen auch einzeln abzugreifen.

Die Geschwindigkeitssensoren können im Eintakt- oder

Gegentaktbetrieb gefahren werden. Die zugehörigen

Drahtverbindungen sind in der Zeichnung angegeben.

Parallelschaltung ist ebenfalls möglich (Drähte rot - grün, blau

– schwarz verbinden).

145

Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der

Kern-Verschiebung für einen konstanten Wert

der Geschwindigkeit.

Die Höchstgeschwindigkeit ist durch die max. zulässige Ausgangsspannung von 500 V

begrenzt. Dagegen ist die min. messbare Geschwindigkeit durch die Empfindlichkeit und

das Eigenrauschen der nachgeschalteten Elektronik gegeben. Eventuell durch starke

Wechselstromfelder induzierte Störspannungen lassen sich durch zusätzliche

Abschirmungen eliminieren.

Eigenschaften

• Messung von Geschwindigkeiten auf geradliniger Bahn bis auf 1% genau.

• Messstrecken: 0 ... 13 mm bis 0 ... 610 mm

• Einsatz in einem weiten Temperaturbereich

• Einsatz in Hydrauliköl und auch in anderen nichtkorrosiven Flüssigkeiten

• großer Messbereich (Verhältnis kleinster zu größter messbarer Geschwindigkeit

400.000 : 1)

• hohe Auflösung


• Hysteresefreiheit

Anwendungen

• Stoßdämpferprüfungen

• Füllkontrollen

• Schwingungsuntersuchungen an Gebäuden und Maschinen und servokontrollierten

Systemen.

• Messung an Kolbenpumpen

• Ermittlung von Kriechraten und Einpressgeschwindigkeiten hydraulischer Pressen

• Messwertgeber für Rechner

• Signalgeber für Seismographen.

Quelle: http://www.burster.de/katalog/sektion8/89100.htm

Fahrzeug-Tachometer

Für die Messung wird die Ausgangsdrehzahl des Getriebes herangezogen. Dazu wird eine

flexible Welle vom Getriebe zum Tachometer geführt. Die Messung kann aber nie wirklich

genau sein, da es auf verschiedene Faktoren dabei ankommt, wie z.B. Reifendurchmesser,

Luftdruck im Reifen, etc. Die Abweichungen sind auch nicht über den gesamten

Geschwindigkeitsbereich gleichmäßig groß. In den meisten Fällen zeigen die Tachometer

etwas mehr an, als die tatsächlich gefahrene Geschwindigkeit. Die Abweichung ist aber

immer nur im einstelligen Prozentbereich.

Magnetisch-induktiver Winkelgeschwindigkeitssensor

Magnetic Inductance Magnetic inductance sensors consist of a coil of wire around an iron

core plus a permanent magnet. The magnet can be either stationary or movable. If the

magnet is the moving member, as it passes the coil the magnetic lines of force cut through

the coil and a voltage is produced. Since the north and south poles of the magnet alternate

as they pass the coil, the voltage polarity also alternates. As the speed of the magnet

rotating past the coil is increased a larger voltage is produced and the frequency of the

voltage polarity changes is increased. This same type of sensor can also work if the magnet

is stationary and attached to the core of the coil. When a toothed reluctor, or rotor (made

from a magnetic material) is rotated past the coil and magnet, the magnetic lines of force

move and cut through the coil. The lines of force cutting through the coil will produce the

same type of voltage output as when the magnet was moving.

146


Prinzip des Wechselspannungsgenerators, der sich zur

Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit ausnutzen lässt:

Rotiert eine Spule mit konstanter Kreisfrequenz ω in einem

Magnetfeld B, wird eine sinusförmige Spannung induziert.

Quelle: Tipler, Physik, Spektrum Verlag

147

Schematische Darstellung des Prinzips der

Spannungsinduktion: Die Normale der

Spulenebene schließt mit dem Magnetfeld den

Winkel θ ein, daher beträgt der magnetische

Fluss Фm = B·A·cosθ.

Schematische Darstellung des Prinzips der Spannungsinduktion aus anderer Perspektive: Ein relativ bekannter

Sensor zur Messung von Geschwindigkeiten und Winkelgeschwindigkeiten dargestellte Tachogenerator, bei

dem die elektrische Spannung, die durch die Bewegung eines Permanentmagneten relativ zu einer Messspule

induziert wird ausgewertet wird. (Siehe auch Geschwindigkeit) Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-

GH Paderborn, Mechatronik und Dynamik

This type of sensor is commonly used as a wheel speed sensor on ABS equipped vehicles.

This sensor is also used in the distributor to determine RPM and crankshaft position. Since


the voltage output of this sensor is varying continually and is low at low speeds, the

computer must be able to sense the small voltage. If electrical interference is allowed to

combine with the signal voltage, the computer could be fooled. To prevent stray electrical

interference, the signal wire usually has a ground shield formed around it like the knock

sensor.

Zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten, z.B. in Videokameras (Verwackelschutz) oder

Kraftfahrzeugen (Fahrdynamikregelung), werden zunehmend resonant betriebene

Stimmgabelsensoren, eingesetzt, bei denen ausgenutzt wird, dass sich die

Schwingungsebenen der Eigenschwingungsformen symmetrisch gestalteter elastischer

Kontinua bei einer Drehbewegung der schwingenden Körper in einer ganz bestimmten

Weise verändern.

Typischerweise werden dabei die beiden Hälften der stimmgabelartigen Struktur in eine

Schwingung aufeinander zu versetzt, die bei einer Drehung über die Corioliskraft dazu

senkrechte Schwingungen anregt, die wiederum gegenphasig sind; bei einer Messung des

Differenzsignals würden sich translatorische Störungen also kompensieren.

Winkelgeschwindigkeitssensor nach dem Stimmgabelprinzip. Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH

Paderborn, Mechatronik und Dynamik

Funktionsprinzip der Rotationsdetektion nach dem Stimmgabelprinzip. Quelle: Entwurf eines Rotationssensors in

dreischichtiger, CMOS-kompatibler Silizium-Oberflächen-Mikromechanik, Dissertation, PhilippWilhelm Sasse,

Paderborn 2002

148


Beschleunigungssensoren

Die Messung von Beschleunigungen erfolgt meist indirekt, indem die Kraft bestimmt wird,

die notwendig ist, um eine Probemasse beschleunigt zu bewegen. M.a.W., jeder

Kraftsensor kann als Beschleunigungssensor ausgebildet werden -> seismische Masse.

Wichtigster „Micro-Electro-Mechanical Systems“- (MEMS) Markt nach Drucksensoren seit

Einführung der Airbags.

Prinzip des Accelerometers: Kraftmessung über eine Feder mit der Federkonstanten k,

einer „seismischen“ Masse m und der Dämpfung λ zur von der Kraft abgeleiteten

Bestimmung der Beschleunigung a.

Die von außen wirkende Kraft

ist proportional zur Beschleunigung (der Masse), zur Geschwindigkeit (Dämpfungsterm) und

zur Auslenkung (Federkonstante).

Frequenz- und Übertragungscharakteristik

Im Gleichgewicht gilt: x/a = m/k -> Sensitivität, beeinflusst die Resonanzfrequenz nach

149


Messprinzip über Dehnmessstreifen

Die Messung von Kräften erfolgt oft dadurch, dass die Wirkung der zu messenden Kräfte,

z.B. die aus ihnen resultierende Verformung (Dehnung oder Stauchung) eines

Probekörpers bestimmt wird. Die in diesem Zusammenhang wohl bekanntesten Sensoren

sind die Dehnungsmessstreifen (DMS), ein mäanderförmiger Widerstand, bei denen die

Widerstandsänderung eines Drahtes ausgewertet wird. Diese Anordnung wird auf das zu

untersuchende Bauteil geklebt und die Dehnung bzw. Stauchung des Bauteils ist nun gleich

der Dehnung bzw. Stauchung des DMS.

∆R ∆L

= k× = k⋅ε

R L

0 0

mit k : Empfindlichkeit, k-Faktor, typ. k = 2

und ε: relative Dehnung

Der DMS kann aus Metallischen Stoffen und aus Halbleitern gefertigt werden. Solche piezoresistive

Materialien zeigen folgenden Effekt: die Änderung des elektrischen Widerstands

eines Metalls oder Halbleiters unter dem Einfluss einer mechanischen Spannung wird als

Piezo-Widerstands-Effekt bezeichnet. Die Ursache liegt bei Halbleitern in der Bandstruktur

und bei Metallen in der Fermifläche, die durch die mechanische Spannung verformt werden,

was die Leitfähigkeit verändert.

Die in einer Wheatstone’schen Brücke geschalteten DMS geben dabei eine der Auslenkung

proportionale Brückenspannung ab.

Dehnungsmessstreifen (DMS) und die zur Auswertung meist genutzte Wheatstone’sche Brückenschaltung.

Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH Paderborn, Mechatronik und Dynamik

150


Die Beschleunigungssensoren gehören zu den absoluten Schwingungssensoren, die im

Gegensatz zu relativen Sensoren keinen ruhenden Bezugspunkt benötigen.

Die Wandlerelemente, DMS, haften auf einem Verformungsteil, an das eine seismische

Masse gekoppelt ist. Bei Beschleunigungen in Richtung der zulässigen Durchbiegung übt

die seismische Masse eine Kraft aus

F = m·a

und lenkt den Verformungskörper aus. Durch diesen Aufbau sind diese Typen auch zur

Messung von konstanten Beschleunigungen geeignet (Arbeitsfrequenz 0Hz, wie z.B. bei

der Erdbeschleunigung).

Eine Flüssigkeit dämpft die Bewegung dieses Feder-Masse-Systems. Zum Schutz vor

Fremdeinflüssen wird der Sensor in einem Stahlgehäuse hermetisch dicht gekapselt.

Auf der Dehnungsmessung aufbauend sind auch Sensoren, wie Kraftmesser und

Druckmesser möglich.

Eigenschaften

Messbereiche: 0 ... ± 5 g bis 0 ... ± 500 g

Arbeitsfrequenzen: 0 ... 2 kHz

Der DMS kann aus Metallischen Stoffen und aus Halbleitern gefertigt werden.

Ein typisches Material ist z.B. eine Kupfer-Nickel-Legierung (Konstantan), dessen

thermischer Ausdehnungskoeffizient αapprox = 12·10 -3 m·K dem von Stahl und Beton

entspricht und daher keine Temperaturkompensation bei der Dehnungsmessung von

Stahlbeton benötigt.

Anwendungen

• Erfassung konstanter Beschleunigungen (0 Hz) in Automobilen, Eisenbahnen,

Flugzeugen, Raketen, Fahrstühlen, Robotern, Greifern, Sport.

151


DMS Beschleunigungssensor in Dickschichttechnologie, wie er z.B. zur Crasherkennung in Airbag-

Systemen eingesetzt wird. Bei ihm führt die auf die Probemasse einwirkende Beschleunigung zu einer

Durchbiegung der Einspannplatte. Die daraus resutierende Dehnung führt zu einer

Widerstandsänderung der DMS 2 und 4.Quelle: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek, Universität-GH

Paderborn, Mechatronik und Dynamik

• Seismische Messungen und geophysikalische Untersuchungen an Gebäuden,

Türmen, Brücken, Staudämmen; Erdbebenüberwachung, Erfassung von

Fundamentschwingungen, z.B. verursacht durch vorbeifahrende Fahrzeuge.

• Neigungsmessungen an optischen Geräten, Schiffen, Bohrinseln, schweren

Fahrzeugen, im Maschinenbau.

• Schwingungs-, Schwinggeschwindigkeits- und Schwingwegmessung in Land-, See-

und Luftfahrzeugen, Maschinen, Strukturen, Bewegungsuntersuchungen

(Neurologie, Posturografie, Sport).

Quelle: http://www.burster.de/katalog/sektion8/89010.htm´

Quelle: http://www.net-lexikon.de/Dehnungsmessstreifen.html

152


Fortsetzung Beschleunigungssensoren

Kapazitive Messung

Alternative Bauweise:

Beschleunigungssensor nach Bauart der Feinwerktechnik (FWT) der Uni KL

In bulk micromachined capacitive acceleration sensors, the cantilever structure etch out

from Si is bonded between an upper and lower wafer or metallized glass substrates. An

acceleration perpendicular to the wafer surface moves the seismic mass out of its center

position. The displacement is detected by the top and bottom capacitors between the

wafers. A capacitive half bridge is generally used for signal pickup.

Silicon bulk micromachined acceleration sensor: aus Silizium gefertigter Beschleunigungssensor

In surface micromachined Si sensors movable polysilicon structures are etched out using

sacrificial layers. The seismic mass is suspended at the four corners by springs. The fingers

to both sides of the seismic mass as well as fingers attached to the wafer surface form a

capacitance for signal pickup. This capacitance is changed during acceleration. In contrast

to bulk micromachining, surface micomachining uses movements parallel to the wafer

surface.

153


Accelerometer based on Si surface micromachining:

154

Si surface micromachining: Auf einem Si-

Substrat wird photolithographisch eine

strukturierte Opferschicht (SiO2)

aufgebracht. Darüber wird poly-Si

abgeschieden und anschließend die

darunterliegende Opferschicht wieder

weggeätzt. So können frei schwebende

dreidimensionale Si Strukturen erzeugt

werden.

Gemessen wird das Kapazitätsverhältnis in einer Wheatstone-analogen Brückenschaltung:

c1−c2 ∆d

= wobei ∆d proportional zur Beschleunigung a ist.

c + c d

1 2 0

Piezoresistive Messung über miniaturisierte Dehnmessstreifen

Bulk micromachined piezoresistive acceleration sensors use a structure in which the

seismic mass is suspended on four bridges. The deformation of the bridges due to the

acceleration is followed by four piezorestors integrated into them.


Beschleunigungssensor mit piezo-resistiven DMS. Quelle: www.sensedu.com

Piezoelektrischer Effekt (1880) (Piezo-Effekt)

Piezoelektrische Effekte treten in Kristallen ohne Symmetriezentrum auf. Solche Kristalle

haben eine polare Achse, d. h. eine Richtung, die von der Gegenrichtung physikalisch zu

unterscheiden ist.

Gitterstrukturen des nicht-ferroelektrischen rein kubischen Blei-Zirkonium-Titanats (PZT) oberhalb der Curie-

Temperatur (links) und des ferroelektrischen tetragonalen PZT unterhalb der Curie-Temperatur (rechts)

155


Piezoelektrischer Effekt in lonenkristallen mit und ohne Symmetriezentrum: a) Aufbau eines Kristalls mit

Symmetriezentrum; b) lonenkristall mit Symmetriezentrum mit und ohne elastische Verformung aufgrund einer

Kraft F; c) lonenkristall ohne Symmetriezentrum mit und ohne elastische Verformung aufgrund einer Kraft F

Die Effekte beruhen auf einer elektrischen Polarisation des Kristalls in einer

Vorzugsrichtung unter dem Einfluss einer mechanischen (elastischen) Deformation (direkter

Piezo-Effekt, Brüder Curie 1880). Der Effekt lässt sich umkehren: Beim Anlegen einer

elektrischen Spannung ändert der Kristall seine Form (inverser PiezoEffekt, Lippmann

1881). Der Effekt wurde an einer ganzen Reihe von Kristallen entdeckt (Seignette-Salz,

Kieselzinkerz, Quarz, Zinkblende, Weinsäure, Natriumchlorat, Turmalin, Rohrzucker). Heute

sind folgende Substanzen für die technische Anwendung von großer Bedeutung:

GaAs, ZnO, CdS, LiNbO3, LiTaO3, Quarz. (Auch Nicht-Ferroelektrika wie Quarz können

piezoelektrisch sein.) Man unterscheidet einen Längs-, Quer- und Scher-Effekt, je nachdem

in welcher Richtung die Kraftkomponente und die Richtung der Polarisation des Materials

liegen. Dies gilt für den Piezo-Effekt und seine Umkehrung. Der Piezo-Effekt hat vielfältige

Anwendungen gefunden. Neben den klassischen Materialien ist heute ferroelektrische

Keramik (BleizirkonatTitanat) von größter technischer Bedeutung. Der piezoelektrische

Effekt ist eng mit dem pyroelektrischen Effekt und der Elektrostriktion verwandt.

Piezoelektrischer Effekt am Beispiel des rechtsdrehenden Quarzes, Zustand vor Krafteinwirkung gestrichelt,

nach Krafteinwirkung durchgezogen gezeichnet: a) direkter piezoelektrischer Effekt; b) reziproker

piezoelektrischer Effekt

156


Technisch gebräuchliche Anordnungen bei der Nutzung des Piezoelektrischen Effekts

Anwendung des longitudinalen (a) und transversalen (b) piezoelektrischen Effektes in Quarz (SiO2)

bei Kraftaufnehmern; c) Hintereinanderschaltung mehrerer piezoelektrischer Elemente, an der Stirnfläche

mittels einer Metallschicht kontaktiert; d) Ladungsabgriff an Seitenfläche des Quarzkristalls

Die erzeugte Spannung dU ist proportional dem Stellweg (dU = E·dx) bzw. damit auch dem

Wandlervolumen.

Durch die Polarisation P (Ausrichtung der Dipole im Material) wird das elektrische Feld im

Medium abgeschwächt. Zur Beschreibung des durch die freien Ladungen erzeugten

äußeren Feldes wird ein weiterer Vektor D, die elektrische Flussdichte oder dielektrische

Verschiebung, eingeführt.

157


ε0 elektr. Feldkonstante, Qoberfl: Oberflächenladungsdichte, P: elektr. Polarisation, n:

Oberflächennormale

Bei piezo- und pyroelektrischen Materialien hängt die dielektrische Verschiebung D außer

von E noch von der mech. Spannung und der Temperatur ab.

Bauformen

Dreiachsen-Beschleunigungsvekorsensoren: a) Torsionsstruktur; b) kombinierter piezoresistiver Sensor; c)

kombinierter kapazitiver Sensor

Beispiel für einen Piezo-Kraft- bzw. Beschleunigungs-Sensor

Abb. Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im

158

x

U = dσ

εε 0

C

=εε 0 r

A

x

r

, Spannung el. (V)

, Kapazität (F)

Q = CU , Ladung (As, C)

E = CU

1 2

,

2


Dokument..1: Skizze einer Piezo-Beschleunigungssensors

mit: d = 2,3 10 -10 As/N (Quarz, Piezoelektrische Konstante)

σ = Spannung (mechanische)

x = Dicke

ε0 = 8,9 10 -12 As/Vm

εr = 4,5 (Quarz)

A = Fläche

Die hieraus zu ermittelnden Spannungen werden nicht erreicht, wegen störenden sonstigen

Kapazitäten (z.B. Kabel)

Störkapazitäten, bei der Messung mit dem Piezo-Beschleunigungs-Sensor

Die erzeugte Ladung muss also auch die Kabelkapazität auf- und umladen, ebenso die

Verstärker-Eingangskapazität. Mit Ck typisch 100 pF/m wäre eine erhebliche

Empfindlichkeitsverringerung die Folge.

Ausweg: Verwendung eines Ladungsverstärkers:

Abb. Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument..2: Piezo-Beschleunigungssensor mit

Ladungsverstärker

Der invertierende Eingang ist virtueller Nullpunkt ! Die entstehenden Ladungen fließen

dabei als Strom i(t) über Ci zum Verstärker-Ausgang. Dabei wird Ci aufgeladen, mit der

Ladung, die in Sensor und Kabel erzeugt wurde. Da Cs und Ck und Cv nicht geladen

werden, (eine Seite auf Null, andere Seite auf virtuell Null) verfälschen diese Kapazitäten

die Messungen nicht.

Der Ladungsverstärker macht also unabhängig von der Kabelkapazität, aber nicht von

deren Änderungen! Durch den Isolationswiderstand des Kondensators Ci fließt die erzeugte

Ladung ab.

159

Typischer Durchmesser 6 - 16 mm


Die Resonanzfrequenz wird häufig durch die Nachgiebigkeit der Aufspannung verfälscht.

- AuftretendeFehler:

Rechteckverhalten und Verzerrung durch Leckwiderstand

Weiterer typischer Fehler: starke Empfindlichkeit auf Dehnungen der Befestigungsebene.

Anwendung des Piezoelektrischen Effektes

Direkter Piezo-Effekt Inverser Piezo-Effekt Kombination von direktem und inversem

Piezo-Effekt

Taste

Gaszündung

Tonabnehmer

Mikrofon

Kraft- und

Beschleunigungsmessung

Ultraschallstrahler

• Reinigung

• Materialbearbeitung

• Materialprüfung

• Fernsteuerung

Justierung von Videoköpfen

Laserspiegel

Relais

Schwingantrieb

Stoßantrieb

Flüssigkeitszerstäubung

Tintendrucker

Telefon-Hörer

Tongeber

160

Entfernungsmessung

• Elektromedizin

• Echolot

Oberflächenwellentechnik

Filter

• Fernsprechtechnik

• Unterhaltungselektronik

Fernsteuerung

• Hochspannungstransformator

• Trenntrafos

• Verzögerungsleitung

Zwischenspeicher

Signalkompression

Grafik-Tableau

Präsenzdetektor

Konzentrationsmessung von

Dämpfen


Schwingende Körper

Auch mit Hilfe (meist resonant) schwingender Körper kann eine Kraftmessung erfolgen,

wenn die zu messende Kraft einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des Körpers hat, wie

es z.B. bei Saite und Membran oder bei Balken und Platte unter Normalkraft-Vorspannung

der Fall ist. Die Kraft kann dann aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz ermittelt

werden. Bei dem dargestellten System wird der Strom in der Magnetspule so geregelt, dass

sich der Messkörper stets an einer festen Stelle befindet, so dass die Wirkung äußerer

Kräfte anhand der Veränderung des Spulenstroms bestimmt werden kann.

(Elektrodynamische Kraftkompensation).

Servo-Beschleunigungssensoren

Servo-Beschleunigungsaufnehmer enthalten ein Feder-Masse-System, dem die Federkraft -

und Dämpfungskraft elektrisch von einem elektronischen Verstärkersystem zugeführt wird

(a) Tauchspule und Magnetsystem oder

(b) elektrostatisch.

Der Aufnehmer wird damit Teil eines elektronischen Regelkreises. Servo-

Beschleunigungsaufnehmer besitzen eine außerordentlich hohe Messgenauigkeit und

können daher nach doppelter Integration des Messwertes auch als Wegaufnehmer

verwendet werden.

Beispiele:

Technische Daten:

Für Aufgaben der FDI (Failure Detection and Isolation) steht mit iMAR's

ACC-FSNR ein hochgenauer Servo-Beschleunigungsaufnehmer mit

integrierter und speziell für die Flugmeßtechnik entwickelter

Signalverarbeitung zu Verfügung. Quelle: http://www.imarnavigation.de/datenbl/accfsnrd.htm

Messbereich: ± 2 g oder ± 12 g (intern maximal ± 30 g)

Wiederholbarkeit: < 1 mg

Temperaturkoeffizient: < 70 µg/K, < 200 ppm /K

Auflösung / Linearität /

Hysterese:

Kreuzkopplung: < 2 mrad

< 10 µg / < 50 µg/g / < 1 mg

Grenzfrequenz: 40 Hz mit 12 dB/Oktave resp. 40 dB/Dekade

Datenausgabe an SigOut: analog ± 5 V

161


Ausgangslast an SigOut: > 100 kΩ empfohlen

Temperatursignal: 1 µA / K (Last ≥ 10 kΩ empfohlen)

Temperatur: -40...+90 °C (operating)

Versorgung: 28 V DC (Toleranzbereich: 22...34 V)

Schock / Vibration: 200 g, 6 ms, halbsinus / 25 g, 50...2000 Hz

Andere realisierte Bespiele:

• SUNDSTRAND, USA: Q-flex: Quarzscheibe als Feder und Masse, kapazitiver

Abgriff, Magnetsystem zur Krafterzeugung

• ONERA, F: Cactus-Mikro-G-Messung in Satelliten (3-achsig) kapazitiver Abgriff,

elektrostatische Krafterzeugung, völlig frei schwebende Masse. Elektrostatisch

erzeugte Feder

Typische Fehler von Beschleunigungssensoren

(Verstärkung als Funktion der Frequenz ist prinzipbedingt und wird nicht als Fehler

gewertet.)

- Piezo-Beschleunigungssensoren

- nichtreproduzierbare Leckwiderstände

- Kabelkapzitäten, Kabelrauschen, Kabelbewegungen

- Dehnung der Befestigungsbasis

- Querempfindlichkeit u = k × && x + k × && y + k × && z

- Nichtlinearität

- Empfindlichkeitsdrift

- Rauschen

- Feder-Masse-Beschleunigungssensoren

- Nullpunktsdrift

- Empfindlichkeitsdrift

- Kreuzkopplung

- Querempfindlichkeit

162

A x y z

2

- Nichtlinearität u = k × && x + k × && x + k × && x

- Rauschen

Als Funktion von Temperatur und Zeit,

Hysterese nach Temperaturzyklus.

u = k × x&& + k × && y + k × && z + k × x&&× && y + k × x&&× && z + k × && y×

A x y z xy xz yz

Querempfindlichkeit Ky, Kz, Kreuzkopplung Kxy, Kxz, Kyz

A x 2x

3x

Nichtlinearität (quadratisch und kubisch)

3

k x × &x

& ist die Soll-

Empfindlichkeit


- Servo-Beschleunigungssensoren

- wie Feder-Masse-Beschleunigungssensor, aber besser in:

- Nullpunktsdrift

- Kreuzkopplung

- Nichtlinearität

- außerdem höhere Eigenfrequenz

Bei schlechter Konstruktion auch Hysterese in Kopplungsstellen zwischen

a) Rahmen - Feder

b) Feder - Masse

163


Massesensoren

Einleitung

Masse ist eine Eigenschaft der Materie. Sie manifestiert sich durch die zwei zur Messung

heranziehbaren Kraftwirkungen:

a. Massen ziehen sich an (Gravitationskraft → „schwere Masse");

b. zur Änderung der Bewegung einer Masse ist eine „Beschleunigungskraft"

erforderlich → „träge Masse".

Kräfte bewirken Beschleunigungen oder Deformationen. Auf diesen Wirkungen beruhen die

technischen Messaufnehmer für Kräfte und andere „dynamometrische" (d.h. auf Kräfte

zurückführbare) Größen (Drehmoment, Druck etc.):

a. Bei „kraftkompensierenden" Systemen wird eine

Kompensationskraft FK aus der anfänglichen, durch die

Messkraft FX bewirkten mechanischen Deformation des

Messeingangs gewonnen (Vertikaldetektor D: optisches

System, z.B. Spaltdiode; Wegauflösung bis 10 nm) und in

einem Regelkreis (R) bis zum Gleichgewicht abgeglichen.

Nullagen-Fehlsignal liegt am Eingang I eines

Proportional-Integral-Differenzial- (PID) Reglers an. Die

elektrische Ausgangs-Stellgröße am Punkt II speist das

Stellglied (S). Stell-Aktoren können piezoelektrisch,

magnetostriktiv (beide: hohe störende Federsteifigkeiten

und Hysteres) oder elektrostatisch (Problematik:

elektrischer Durchschlag; daher nur für kleine Kräfte <

0,1 N) sein. Typisches Konzept für kraftkompensierte

hochauflösende Waagen.

b. Beim Federwaagenkonzept bildet ein elastischer Körper

die Kraft Fx in eine reversible Deformation y ab, die

ihrerseits in einem zweiten Schritt durch einen separaten

Mechanismus in eine elektrische Größe überführt wird.

Diese Detektion der kraftproportionalen Deformation kann

durch einen diskreten Geometriesensor (hybrides

System: Trennung zwischen Feder und Messsensor (z.B.

DMS)) oder durch einen integralen Materialeffekt erfolgen

(z.B. mittels Piezoaufnehmern).

c. Beim Resonanzprinzip bewirkt die zu messende Kraft Fx

direkt (ohne Materialgesetz!) eine Zusatzbeschleunigung

des Schwingers, die sich in einer Verschiebung seiner

Resonanzfrequenz f1,2 ausdrückt.

167


Quelle: [1] S. 33ff

Details zum Resonanzprinzip

d. Beim „Gyro-Konzept" verursacht die Kraft Fx eine

Orthogonalbeschleunigung des mit der Frequenz ω

rotierenden Kreisels, die zu seiner Präzession führt. Die

Präzessionsfrequenz Ω ist proportional zur Messkraft.

168


Sauerbrey-Gleichung für die Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz eines

Schwingquarzes in der Gasphase:

Quelle: http://www.ksvltd.com/inc/pdf/KSV_QCM_Z500.pdf

If a rigid layer is evenly deposited on one or both of the electrodes the resonant frequency

will decrease proportionally to the mass of the adsorbed layer according to the Sauerbrey

equation:

169


Quelle: http://kwi.dechema.de/ec/images/11j%20Quarzmikrowaage.pdf

There are situations where the Sauerbrey equation does not hold, for example, when the added

mass is a) not rigidly deposited on the electrode surface(s), b) slips on the surface or c) not

deposited evenly on the electrode(s). Therefore, the Sauerbrey equation is only strictly

applicable to uniform, rigid, thin-film deposits. Due to this the QCM was for many years just

regarded as a gas-phase mass detector.

Schwingquarz an Luft Schwingquarz in Newton’scher Flüssigkeit*

170


* Newton’sche Flüssigkeiten, in der Physik die Bezeichnung für Flüssigkeiten, deren Viskosität (Zähigkeit)

konstant ist, also nicht von der Fließgeschwindigkeit oder vom Deformationszustand abhängt. Damit stehen

diese Flüssigkeiten in ihrem physikalischen Verhalten im Gegensatz zu den Nichtnewton’schen Flüssigkeiten.

Newton’sche Flüssigkeiten haben keine Fließgrenze, das Fließen beginnt also sofort beim Einsetzen der

Schubkraft. Ausgewählte Beispiele sind beispielsweise Wasser, Benzin und Hydraulikflüssigkeiten. Wichtige

Beispiele für Flüssigkeiten, die nicht die Newton’sche Gleichung erfüllen, sind Sole, Gele, konzentrierte

Suspensionen (Dispersion), geschmolzene Kunststoffe und andere hochmolekulare Substanzen (Polymere).

Streng genommen zählt auch Blut zu den Nichtnewton’schen Flüssigkeiten. Quelle: Microsoft® Encarta®

Enzyklopädie Professional 2003.

Not until the beginning of 1980´s scientists realized that a quartz crystal can be excited to a stable

oscillation when it was completely immersed in a liquid. Much of the pioneering work in liquid

phase QCM measurements have been done by Kanazawa and coworkers, who showed that the

change in resonant frequency of a QCM taken from air into a liquid is proportional to the square

root of the liquid´s density-viscosity product:

171


Anwendungsbeispiel – Marsrover Sojourner

The Watchplate containing two Glenn dust

adhesion experiments

172

The Mars rover, Sojourner , on Mars after

descending Lander ramp:

For The Mars Pathfinder Mission a small

(10-kilogram or 22-pound) rover was

carried to the red planet by Mars

Pathfinder. Mike Krasowski and Larry

Oberle of the Optical Instrumentation

Technology Branch working with Gary

Hunter of the Sensors and Electronics

Technology Branch and other colleagues at

NASA Glenn provided a Quartz Crystal

Monitor to monitor ambient Martian dust.

Scientists now believe that the surface of

Mars is a lot more dusty than they had

believed previously. The noontime air

temperature is also significantly higher than

we had expected. Quantitative results from

the MAE await receipt of data taken at

temperatures closer to design values.

The IES data reduction electronics for the

MAEQCM experiment.

Members of the Instrumentation and Controls Technology division were asked to develop a

sensor to measure the mass of the dust settling on the Mars Pathfinder Sojourner's solar

array panel after JPL approached NASA Glenn in 1992 and offered the opportunity to

design experiments to be flown on the Mars Pathfinder mission. Dr. Gary Hunter of the ICtd

was familiar Quartz Crystal Microbalances (QCM's) which could be adapted for this

application. A commercially available source for this sensor was soon identified. This

sensor, made by QCM Research, had already flown on the Shuttle and had been used to

make similar measurements. Hence, the QCM was chosen to be a part of the MAE

(Materials Adherence Experiment) on Pathfinder. Dr. Landis of NASA Glenn had previously

been active in advocating an experiment which measured the degradation of solar arrays

on Mars. However, this experiment needed a way to measure the dust deposited on the

surface of the solar array.


Three total units were required for delivery to JPL with additional units needed for testing.

Michael Krasowski, also of Glenn, proposed that if we were to purchase the sensor, he

could design a circuit using off-the-shelf military grade components which could be flight

qualified here at Glenn for a fraction of the cost of contractor supplied systems.

Given the go-ahead, Mike designed a circuit based on electronic components which he

knew he could get cheaply or free as samples. Lawrence Oberle of Glenn procured QCM

sensors and characterized them with Gary Hunter and Phil Jenkins, also of Glenn. Ernie

Kudra and Ray Wade, of Glenn and Danny Spina of Cortez III laid out the circuit boards

and procured them. Gary Gorecki and John Calderon of Glenn performed the flight quality

build of the units. Joseph Flatico, then working at Glenn under a grant from Kent State

University, developed the micro-controller code which operated the QCM, and acquired the

data to be transferred to the Rover computer for down-link to JPL. Larry and Mike did the

flight quality testing here at Glenn using in-house facilities as well as test fixtures, custom

built by George Readus, of Glenn. The units were shipped to JPL on time.

The total cost of our effort was approximately 1/2 of our original estimate. The remaining

funds were put back into the system to help support the other Glenn experiments. The

bottom line is that we delivered sensors and systems to JPL on time and under budget

contributing significantly to the success of this high profile NASA mission.

The system is currently functioning on Mars and data is being sent back.

Quelle: http://www.grc.nasa.gov/WWW/OptInstr/mars.html

Exkurs – Gewichtsmessung - Nano-Waage wiegt Viren

Wie schwer ist eigentlich ein Virus? Amerikanische Forscher haben eine Miniatur- Waage

gebaut und einen einzelnen Erreger darauf gelegt. Ergebnis: zehn Femtogramm. Das

Nano-Instrument könnte eines Tages als Virendetektor dienen.

Das Gewicht des Virus, der der bei Pockenschutzimpfungen

zum Einsatz kommt, ist unvorstellbar klein. Zehn Femtogramm

entsprechen dem Billionstel eines Reiskorns. Gebaut wurde die

Präzisionswaage von einem Forscherteam um Rashid Bashir

von der Purdue University in West Lafayette im US-

Bundesstaat Indiana. Die Waage besteht aus einem Miniatur-

Sprungbrett, auf das das Virus gelegt wird. Das aus Silizium

gefertigte Brett ist mit 30 Nanometern 2000-mal so dünn wie ein

menschliches Haar. Es vibriert mit einer bestimmten

Eigenfrequenz, die mit Hilfe eines Laserstrahls bestimmt

werden kann. Sobald ein kleines Objekt auf der Siliziumzunge

liegt, ändert sich die Vibrationsfrequenz. Aus der Änderung

lässt sich das Gewicht des Objekts berechnen, schreibt Bashir

im Fachmagazin "Applied Physics Letters". Aus einer solchen

Miniaturwaage wollen die Physiker einen Virusdetektor

entwickeln. Sie planen, die Siliziumzunge mit Antikörpern zu

benetzen, so dass eventuell vorhandene Viren eingefangen

werden und haften bleiben. Derartige Waagen könnten auch

die Reinheit der Luft in Krankenhäusern messen, sagte Bashir

dem Online-Wissenschaftsdienst "Nature Science Update".

Denkbar sei auch ein Einsatz bei der Suche nach Biowaffen.

Quelle: SPIEGEL ONLINE - 12. Februar 2004, 9:20; URL:

http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,286010,00.html

173

Virus auf Mini-Waage: Die

Aufnahme entstand unter einem

Elektronenmikroskop


Drucksensoren

Allgemein

Druck p = Normal- (=senkrechte) Komponente einer Kraft pro Fläche; p = F/A

[p] = 1 N·m 2 = 1 Pa (Pascal); 1 bar = 10 5 Pa; in der Medizin und der Biologie ist auch noch

die Einheit „Torr“ = mm Quecksilbersäule gebräuchlich: 1 mm Hg-Säule = 133 Pa)

Bau- und Funktionsweisen

Klassisches Barometer

Nachfolgend: Quelle:http://www.net-lexikon.de/Barometer.html

Das Barometer ist ein Messgerät zur Bestimmung des Luftdrucks.

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Barometern:

Quecksilberbarometer bestehen aus einem mit Quecksilber gefüllten, senkrechten Rohr,

das am oberen Ende luftdicht verschlossen ist. Das untere Ende taucht in ein Vorratsgefäß,

das ebenfalls Quecksilber enthält. Durch sein Eigengewicht fließt das Quecksilber aus dem

Rohr, wobei am oberen Ende ein Vakuum entsteht. Der Luftdruck wirkt dem entgegen, so

dass die Quecksilbersäule bei einer bestimmten Höhe zur Ruhe kommt. Bei normalem

Luftdruck sind das 760 mm. Quecksilber wird verwendet, weil durch sein hohes spezifisches

Gewicht das Rohr kurz gehalten werden kann, bei Wasser müsste das Rohr etwa 10 Meter

lang sein. Zum anderen verdampft trotz des Vakuums am oberen Ende nur sehr wenig

Quecksilber.

Bei Dosenbarometern (Aneroid-Barometern) wird eine luftleere Dose durch den Luftdruck

verformt. Über eine Mechanik wird diese Verformung auf einen Zeiger übertragen.

Verwendung

Barometer werden in der Meteorologie verwendet. Da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt,

dienen sie auch als Höhenmesser in Flugzeugen. Wird nicht der Luftdruck der Atmosphäre,

sondern ein künstlich erzeugter Über- oder Unterdruck gemessen, spricht man von

Manometern. Sturmglasbarometer eine besonder Version des Barometers ist das

Sturmglasbarometer, erfunden und realisiert von Admiral Fitzroy Robert Fitzroy

geb.05.07.1805 t 30.04.1865 Gruender der meteorologischen Abteilung des

Handelsministeriums. Eine Kampfer / Alkoholloesung reagiert mit Kristallbildung auf

Luftdruck- und Temperaturänderung. Klare Lösung steht hierbei fuer gutes Wetter, truebe

Fluessigkeit signalisiert Regen / Sturm

Geschichte

Das erste Quecksilberbarometer wurde 1643 von Evangelista Torricelli erfunden. Er

beobachtete, dass sich die Höhe der Quecksilbersäule täglich veränderte und schloss

daraus, dass sich auch der Luftdruck entsprechend ändert. Nach ihm wurde eine Einheit

zur Messung des Luftdrucks (1 Torr = 1 mm Quecksilbersäule) benannt.

174


Typische Drucksensoren für mbar bis kbar

Typischer Drucksensor für elektrischen Abgriff

Membran (Metall oder Keramik, gewellt / glatt)

Gefährdete Zone, spannungsoptimal ausbilden !

Einspannung möglichst aus einem Stück Material

formen!

Bauweise mit besserer Linearität

Die Messgeber können kapazitive oder induktive Wegsensoren oder Dehnmessstreifen

sein.

Piezoresistiver Dünnfilm-Silizium- und Dickfilm-Epoxyglas oder Dickfilm-Polymer-

Drucksensor

Dünnfilm-Membran Dickfilm-Polymer

175


Quellen: www.sensedu.com, http://www.mhsg.de/Demo/Demo_Die_Erde/Data/Werkzeuge/Geophysik/M5-

Seismik/2Eigenschaften/Eigenschaften.htm, http://sensorik.upb.de/lehre/V3_DMS_New.pdf

Piezoresistive silicon pressure sensors employ resistors as sensing elements, diffused or

implanted into the surface region of a membrane made by anisotropic etching. A pressure

difference between the both sides of the membrane causes its deformation. Due to the

piezoresistive effect, the resistors follow the deformation with resistance changes; two

resistors increase and two decrease, resulting in a multiplied effect in the Wheatstonebridge

configuration. The resistance changes, ∆Ri, can be expressed as follows:

∆ R σ ∆l

= K ⋅ε with ε= =

R

E l

i

where K is the gauge factor (k-Faktor oder Dehnungsempflindlichkeit, dimensionslose Zahl

zwischen 1 und 200); σ ist die mechanische Spannung und ε die Dehnung (relative

Längenänderung ∆l/l); E is the Young's modulus (= modulus of elasticity, Elastizitätsmodul:

Maß für den Widerstand des Materials gegen elastische Verformung; je größer der

Elastizitätsmodul ist, desto geringer ist die Verformung der Materials) of the membrane.

Gauge factor is defined as the fractional change in resistance to the fractional change in

length (strain) along the axis of a strain gauge. It is a dimensionless quantity that applies to

the changes in the strain gauge as a whole. Typical gauge factors are close to 2.0. Gauge

factors for special strain gauges can be significantly larger or even negative.

A sensitivity factor is sometimes specified. The sensitivity factor equals the gauge factor

multiplied by a correction based on current measurement conditions. If the current

conditions are the same as those under which the gauge factor was specified, the

176


sensitivity factor and the gauge factor are identical. Quelle: http://www.astromed.com/knowledge/dcbridgestrain.html

The sensing element of the polymer thick-film pressure sensor consists of a circular edge-clamped epoxy-glass

(or flexible polymer) diaphragm an which four PTF resistors connected into a Wheatstone-bridge configuration

are screened and cured. In order to maximize the loss of the bridge balance and the voltage output, two

resistors must be positioned near the centre of the diaphragm and the other two resistors near the edges. The

pressure to be measured induces a strain in the diaphragm and the resistors change their values, two

resistances increase and two decrease, similarly to the silicon-based version. A very simple membrane structure

can be used for relative pressure measurements (pressure differences related to the ambient pressure).

Absolute pressure sensor needs a closed cavity with a constant pressure or vacuum in it. Conventional

CERMET thick-film versions can also be fabricated using ceramic or enamelled steel substrates and resistor

pastes.

Piezo Resistive A piezo resistive sensor is a resistor circuit constructed on a thin silicon

wafer. Physically flexing or distorting the wafer a small amount changes its resistance. This

type of sensor is usually used as a pressure sensing device such as a manifold pressure

sensor, although it may also be used to measure force or flex in an object such as the

deceleration sensor located in the SRS air bag center sensor. One of the most important

piezo resistive sensors is the manifold pressure sensor which monitors the air intake volume

for Electronic Fuel Injection (EFI). The signal it sends to the ECU determines the basic fuel

injection duration and ignition advance angle. Within the sensor is a silicon chip combined

with a vacuum chamber. One side of the chip is exposed to the intake manifold pressure

and the other side to the internal perfect vacuum in the chamber. A change in the intake

manifold pressure causes the shape of the silicon chip to change, with the resistance value

of the chip fluctuating in relation to the degree of deformation. An integrated circuit converts

the fluctuation to a voltage signal that is sent to the ECU, where the air-fuel ratio is

regulated. The sensor has three external terminals: one for power, one for ground and one

to provide the voltage signal to the computer. The voltage signal varies with the pressure in

the intake manifold. Another use for this same type of sensor is to sense turbocharger

boost. On turbocharged engines, the sensor is used to measure pressures that are higher

than atmospheric pressure and to supply corresponding voltage signals to the ECU. To

prevent engine damage, the ECU can cut off the fuel being injected if the manifold pressure

becomes too high.

177


178


Glasfaser-Reflexions-Drucksensoren

Extrinsic fibre-optic pressure sensors contain a flexible membrane covered by reflective

material, which can be deformed under pressure difference. The transmitted light intensity

between the Input and output fibres is modulated by the deformation of the membrane due

to the conic angle changes of the reflected divergent light bundle.

Kapazitive Drucksensoren

Kapazitive Drucksensoren nutzen die druckinduzierte Abstandsänderung einer beweglichen

Elektrode (z.B. Membran) gegen eine feste Gegenelektrode. Diese kapazitiven

Anordnungen lassen sich in verschiedenen Technologien realisieren. Ein seit langem

bewährtes Verfahren basiert auf der Nutzung von metallischen Membranen, die mit Hilfe

von Laser-Schweißverfahren auf Trägerringe aufgeschweißt werden und somit eine

Messzelle bilden. Diese Sensoren werden vielfach als Differentialkondensator mit einer

ölgefüllten Messzelle hergestellt.

Eine weitere Herstellungstechnologie basiert auf einer Keramikmembran, die mittels

Sinterverfahren auf einem Keramiksubstrat aufgebracht ist.

Mit der Möglichkeit der monolithischen Integration der Signalverarbeitung erlangten jedoch

in den vergangenen Jahren kapazitive Siliziumsensoren zunehmende Bedeutung. Die

Vorteile kapazitiver Sensoren liegen im geringen Energieverbrauch, einer hohen

Basisempfindlichkeit sowie der geringen Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals.

Kapazitive Drucksensoren nutzen die Verschiebung einer Membran, piezoresistive

Sensoren die mechanische Spannung.

179


Kapazitiver Drucksensor: schwarz:

Metallisierung auf Keramik (ca. 3-5 mm dick)

Schwarze Bereiche entsprechen metallisierten

Flächen durchkontaktiert zur Rückseite mit Dickfilm-

Elektronik. Membran 0,3 .. 0,6 mm Al2O3 Glaslot

vakuumdicht "aufgeätzt".

Bei nicht belasteter Membran:

C1 = C2,

ausgelenkt:

Alternativer Aufbau einer kapazitiven Sensor-Messzelle.

Quelle: Sensortechnik, Springer, S.375

(C2 - C1) / C1 oder C2/C1 oder C2 - C1

180


Induktive Drucksensoren

Drucksensor ältere Ausführung

Drucksensor mit Drucküberträger-Medien:

Drucksensor mit Druckübertragermedium

Induktiv: veraltet, aber noch gebräuchlich

(wie induktiver Weggeber): Stift schwingt

leicht, unterschiedliche Dehnkoeffizienten

erzeugen Temperaturdrift und Hysterese.

Direkt aufgedampfte oder aufgesputterte CrNi-Dehnmessstreifen (Dünnfilm):

Dünnfilm DMS

Anordnung von Dünnfilm - DMS auf Träger

Sperrmembran

Koppelmembran

Öl

Starres Teil als Überlastsicherung

Übertragerstab

Biegebalken mit aufgesputternten

Dehnmeßstreifen

8 Widerstände z.B. für zwei Vollbrücken

(Redundanz) es werden nur die besten

genutzt. Gebräuchliche Versionen: Dünnfilm

auf Keramik oder Metall oder eindiffundiert in

Silizium.

181

SiO2-Schutzschicht

Al oder Au Anschlußbahn

Dünnfilm

SiO2- Isolierung

Metall (poliert)


Druckmessung im Vakuumbereich

Feder - Vakuummeter: Bourdon - Röhre 1 mbar ... 1 bar

Feder – Vakuummeter: Kapselfeder - Vakuummeter:

Membrandose (lineare Teilung); Rohr mit elliptischem

oder rechteckigem Querschnitt (veraltet!)

Präzisions - Membranvakuummeter

Messbereiche: 1 bar bis 10 mbar auf 10 -4 mbar genau!

Kapselfeder - Vakuummeter

Kompressionsvakuummeter nach McLoed: das messende Gas wird in einem

Quecksilbermanometer in einem vorgegebenen Volumen von Quecksilber eingeschlossen

und darin erheblich komprimiert, so dass der erzeugte Druck vernünftig messbar ist. Für

Drücke 10 -4 mbar (veraltet, umständlich).

Indirekte Druckmessung

Wärmeleitungs - Vakuummeter (Pirani) 10 -3 ... 1mbar: Heizdraht: mit konstanter Leistung

geheizt

Kühlung durch: Drahttemperatur = Messwert

A: Strahlung und Ableitung zur Drahteinspannung

B: Druckabhängige Wärmeleitung wegen mit dem Druck zunehmender Teilchenzahl

(Stoßprozesse) p·V=n·R·T

C: Konvektion (fast) druckabhängig

Auch zur Messung von Gasgeschwindigkeit im Normaldruckgebiet (bis 5µm Drahtdicke),

auch als flächiger, breittragender Widerstand.

182


Wärmeleitung - Vakuummeter Bereiche

Auch Regelung auf konstante Heizdrahttemperatur (bis 1 bar). Heizleistung = Messwert

Druckmessung im Ionisationsvakuummeter

Teilchenzahl messen:

1. Durch Hochspannung oder Glühwendel Elektronen erzeugen

2. Elektronen beschleunigen, die Stöße ionisieren das vorhandene Gas

3. Gasionen auf Elektrode einfangen

4. Ionenstrom messen (sehr kleine Ströme, pA ... nA)

Je nach Ausführung: 10 -9 mbar .. 10 -3 mbar. Andere Bauarten bis 10 -12 mbar.

Partialdruckmessung: Der Gesamtdruck ist die Summe der Partialdrücke (Gasanalyse).

Massenspektrometer: Trennung der ionisierten Gasteilchen in verschiedenen Bauarten von

Teilchenbeschleunigern durch Ablenken der bewegten ionisierten Gasteilchen in

elektrischen und/oder magnetischen Feldern. Schwierigkeit bei mehrfach ionisierten

Teilchen, Eichung mit Testgas.

Anwendungsbeispiele in der Medizin

Quelle Uni Bremen MST Integrierte Systeme I WS 2002 Benecke (_Folien Aktorik sehr gute Beispiele (eigentlich

MST Bremen folien_is1_1)

Medizintechnik- Implantiertes Telemetrisches Endosystem (ITES))

183


Pressure sensor (linker Teil), Kabel, Telemetrie-Chip mit Übertragungsspulen (rechter Teil)

• Medizinische Spezifikationen (Pflege im Intesivbereich, ...)

• Druckbereich (absolut): 525–1130 mm Hg (70–150 kPa)

• Auflösung: 1 mm Hg

• Messrate: 100 Werte/s

• Abmessungen: max. 0,8 × 4 mm²

• Technische Spezifikationen

• Telemetrisches System Absolutdrucksensor

• Leistungsverbrauch: < 1mW bei 3,5 V

184


ITES – Kapazitiver Drucksensor in Oberflächen Kapazitiver Drucksensor in

Oberflächen-Mikromechanik

ITES - Kapazitiver Drucksensor

ITES Kapazitiver Drucksensor – Prinzip und Aufbau

GLAUKOM – Messung des Messung des Augeninnendruckes

GLAUKOM : Erhöhter Innenaugendruck Wird der Überdruck nicht erkannt und behandelt,

so kann dies zu einer dauerhaften, irreparablen Erblindung führen. Der Augeninnendruck

schwankt erheblich und hängt von der Tageszeit und der gesundheitlichen Verfassung ab

(Druckspitzen), so dass eine kontinuierliche Messung vorteilhaft ist.

185


186


187


188


Quelle: Sensortechnik, S. 392

189


Optische Sensoren

Elektromagnetisches Spektrum

190


Lichttechnische Begriffe

Helligkeit ist eine subjektive Messgröße für die räumlich und farblich gemittelte Intensität

einer sichtbaren Wahrnehmung.

Der Begriff 'Helligkeit' wird verallgemeinernd auch als subjektive Messgröße für die auf den

Beobachter wirkende räumlich und über ein Frequenzband gemittelte Intensität anderer

elektromagnetischer Strahlung benutzt, insbesondere dann, wenn die Strahlung im

sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt oder detektiert wird. Das ist zum Beispiel in der

Astronomie von Bedeutung, wenn die relativen oder absoluten Helligkeiten von Sternen

oder anderen astronomischen Objekten ermittelt werden.

Die zur Helligkeit analoge objektive Messgröße ist die Lichtstärke, die die von einem Objekt

ausgehende räumlich und über ein Frequenzband gemittelte Strahlung in der Maßeinheit

Candela (cd) quantitativ beschreibt.

Spektraler Hellemfindlichkeitsgrad V(λ)

Visuell bestimmte relative Beleuchtungsstärke, bei konstant gehaltener physikalischer

Leistungsdichte der Bestrahlung, gemessen als Funktion der Lichtwellenlänge λ.

Ergebnis: V(λ) ≠0 : Spektralbereich des sichtbaren Lichtes: λ ≅ 380...760 nm

Maximum von V(λ) bei λ0 ≅ 555 nm, dort Normierung V(λ0) = 1.

Zur Bestimmung des absoluten sinnesphysiologischen Bewertungsfunktion K·V(λ)

Definition einer SI-Grund-Einheit für die Lichtstärke: 1 candela ist die Lichtstärke einer

monochromatischen Lichtquelle mit der Frequenz 540 THz (λ0 ≅ 555 nm) und der

Strahlstärke 1/683 W/sr. (Steradian)

Die Bewertungsfunktion V(λ) muss gemessen werden.

Die Messung erfolgt relativ zu λ0 = 555 nm , wo V ≡ 1 gesetzt wird.

Das Ergebnis V(λ) ist abhängig

1. von der beim Vergleich verwendeten absoluten Helligkeit entsprechend den beiden

verschiedenen Seh-Mechanismen im Auge:

• bei großer Helligkeit: "photopisches" Sehen (Zäpfchen) : V(λ)

191


• bei sehr geringer Helligkeit: "skotopisches" Sehen (Stäbchen) : V'(λ)

2. von der Versuchsperson: Der in der Candela-Definition festgelegte Zahlenwert K

bzw. K' ist ein Mittelwert über viele Probanden: K = 683 lm/Watt K' = 1725 lm/Watt

Licht-Messtechnik

192


Typische lichttechnische Zahlenwerte

Quelle: KL - Halbleiter und Sensoren – Skript zur Vorlesung Sensortechnik

193


Optische Effekte

• optische Effekte

• Photoeffekte: - Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und Licht

- Übertragung der Photoenergie hν auf ein Elektron

1. Elektron verlässt Festkörper: Photon hat hν ≥ Φ ⇒ äußerer Photoeffekt

2. Elektron verlässt Festkörper nicht: Photon hat hν < Φ ⇒ innerer Photoeffekt

2.3.1. Äußerer Photoeffekt

Metalle

E

Evac.

EL

EF

EV

Grundlegende Gleichung: E = ½mv² = hν - Φ


Besetzte Zustände

Eg: 1..2,5eV

Phasengrenze

Φ

Metalle Leerer Raum

Masse des freien Elektrons

E

Evac.

X

EL

EF

EV

Einsatzmöglichkeit: - Vakuumphotozelle

- Bildwandlerröhre

- Photovervielfacher

Geschwindigkeit des

freien Elektrons

λ

194

Φ 3,5..5,5eV

Austrittsarbeiten/ Grenzwellenlängen: λ0

Li: 2,90eV =ˆ 427,5nm

Na: 2,75eV =ˆ 450,9nm

Ka: 2,3eV =ˆ 539,1nm

Ru: 2,16eV =ˆ 574nm

Cs: 2,14eV =ˆ 579,4nm

GaAs-Cs: 0,55eV =ˆ 2,254µm

Cs3Sb: 0,45eV =ˆ 2,755µm

X

Na2KSb-Cs: 0,55eV =ˆ 2,254µm

(S-20 Photokathode)

Austrittsarbeit

Energie des anregenden Photons

Austrittsarbeit: EVac - EF


- Gassensoren

Typischer Wirkungsgrad: η =

ne

n p(h

)

Drei Stufen des Auslösungsprozesses:

ν≥Φ (np: absorbierte Photonen)

1. Absorption des Photons → Energietransfer von Photonen zu Elektronen

2. Bewegung der Elektronen auf die Oberfläche zur Phasengrenze

3. Auslösung der Elektronen über die Potentialbarriere

Verlustmechanismen:

- Transmission (keine Absorption), Reflexion (keine Absorption)

- Elektronenstreuung (Wechselwirkung der angeregten Elektronen mit all den anderen

nicht angeregten freien Elektronen im Leitungsband)

- Phononenstreuung (Stöße mit den Gitterschwingungen)

- Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche (Störungen → Rauhigkeit und Bandstruktur)

< a0

Halbleiter

E

Evac.

EL

EF

EV

κ

> a0


Phasengrenze

Φ

X

195

EF in Hülle Eg → Intrinsischer

Halbleiter

EF obere Hülle Eg → n-Typ Halbleiter

EF unterer Hülle Eg → p -Typ Halbleiter

Dotieren verschiebt EF!

1. hν < Eg ⇒ kein Übergang

2. hν ≥ Eg ⇒ Übergang möglich; freies Elektron-/ Löcherpaar im Kristall

3. Φ > hν ≥ Eg ⇒ Übergang möglich; freies Elektron-/ Löcherpaar im Kristall

4. hν ≥ κ + Eg ⇒ Übergang in freien Raum möglich; freies Elektron außerhalb des Kristalls

hν +∆hν

κ + Eg

∆hν = ½mv²

⇒ Photoemission des freien Elektrons

Verlustmechanismen wie bei Metallen:

- reduzierte Bedeutung Elektronenstoß (geringen Dichte freier Elektronen)

- starker Verlust durch Phononen

- starker Verlust durch Kristallstörungen:


• Störstellen (Donatoren, Akzeptoren) hoch

• Störstellen tief

• Leerstellen (vacancy)

Z

Y

• Zwischengitteratome

X

• Versetzungen

Anwendungen: - Vakuumphotozellen

Innerer Photoeffekt

- Photovervielfacher (S-20)

Elektron verlässt den Kristall nicht!

- Bildwandlerröhren (höhere Energien)

Interessant nur im Halbleiter, wegen starker Änderung der elektrischen Eigenschaften;

z.B.: Ladungsträgerdichte ne; nn (nn; np) (σ = e0(neµe + nnµn))

Einstrahlung: hν ≥ Eg = EL - EV

⇒ freie Elektronen im Leitungsband

⇒ freie Löcher im Valenzband

⇒ Erhöhung der Leitfähigkeit

(Photoleitfähigkeit)

Eigenschaften:

direkte Halbleiter starker Effekt

196

E


EL

EV

indirekte Halbleiter reduzierter Effekt

Grenzwellen: hν ≥ Eg Eigenhalbleiter (intrinsischer Halbleiter)

hν ≥ EA

hν ≥ ED

Anwendungen: Photoleiter (Photowiderstände)

Sperrschicht - Photoeffekt

Kombination von innerer Photoeffekt und Ladungsträgertrennung

Anwendungen:


ED

EA

- Photodioden (1 pn – Übergang), Solarzellen


Störstellenhalbleiter (extrinsischer Halbleiter)

X


Eigenschaften:

- Phototransistor (2 pn – Übergänge)

- Photofeldeffekttransistor

- Phototyristoren (3 & mehr pn – Übergänge)

Ladungsträgertrennung n → n-Typ Halbleiter (Majoritätsträgerbereich)

2 Stromteile über die Phasengrenze

p → p-Typ Halbleiter (Majoritätsträgerbereich)

1. Diffusionsstrom aufgrund Konzentrationsgradient

2. Diffusionsstrom aufgrund eines inneren elektrischen Feldes (ND+; NA-

)

pn – Homoübergang pn - Heteroübergang

Werkstoff gleich ungleich

Banddicke Egp = Egn Egp ≠ Egn

Affinität κp = κn κp ≠ κn

Austrittsarbeit Φp > Φn Φp ≠ Φn

Fermienergie EFp ≠ EFn EFp ≠ EFn

Optische Sensortypen

Werkstoffe: Halbleiter

Erfassung von optischen Parametern:

• Intensität (Helligkeit)

• Energie, Wellenlänge (Farbe)

• geometrische Verteilung der Intensität (örtliche Auflösung)

• zeitliche Verteilung der Intensität (Phasenlage, zeitliche Auflösung)

Effekte:

• innerer Photoeffekt

• Sperrschicht – Photoeffekt

197


Opto – elektrische Sensoren

n

n

p

p

n

p

n

p

Kombination von Elementen:

kein pn - Übergang: Leiter

ein pn - Übergang: Diode

zwei pn - Übergänge: Transistor

mehrere pn - Übergänge: Thyristor

• zeilenförmig: Zeilen - Array

• flächenförmig: Flächen - Array

Photomultiplier

Zum Nachweis extrem geringer Lichtintensitäten im sichtbaren, ultravioletten und

nahinfraroten Spektralbereich verwendet man meist Photomultiplier. Ihre Funktionsweise

beruht auf dem äußeren Photoeffekt und der Sekundärelektronenemission: aus einer

Photokathode (im Vakuum) werden durch Lichtquanten Elektronen ausgelöst, die durch

eine Spannung von etwa 100 V zur nächsten Elektrode (Dynode) beschleunigt werden, wo

jedes mehrere Sekundärelektronen auslöst. Solche Verstärkungsstufen werden kaskadiert

(ca. 10), so dass an der letzten Elektrode (Anode) ein gut messbares Ladungssignal

entsteht (Sekund¨arelektronen-Vervielfacher). Mit dafür optimierten Anordnungen k¨onnen

so problemlos einzelne Photonen nachgewiesen werden (photon counting). Den

prinzipiellen Aufbau eines Photomultipliers zeigt folgende Abbildung.

Typische Geometrie eines Photomultipliers mit Frontfensterkathode (gebräuchliche Durchmesser liegen

zwischen 10 und 100 mm); aus [7].= Burle Electronics. Photomultiplier Handbook. Burle, 1987.

Kathodenmaterialien: Für Photokathoden werden Materialien aus drei Substanzklassen

verwendet: Metalle mit niedriger Austrittsarbeit (meist Mischungen aus Alkalimetallen) f¨ur

den sichtbaren Spektralbereich, Halbleiter (Telluride, Oxide) f¨ur das Ultraviolette und III-V-

Halbleiter (GaAs, GaInAs), bei denen mit geeigneter Beschichtung eine negative

Elektronenaffinität erreicht wurde, f¨ur das nahe Infrarot. Die typischen Bandstrukturen

198


(Energienivaues im Ortsraum) sind in nachfolgender Abbildung skizziert. Die Kathoden sind

entweder als d¨unne semitransparente Schicht innen auf das Frontfenster aufgedampft

oder als massivere Beschichtung auf ein Metallblech aufgetragen. Die Kathodengrößen

liegen für optische Anwendungen zwischen einigen Millimetern (rauscharme

Photonenzählanwendungen) und einigen Zentimetern.

Dynoden werden aus Materialien mit guter Sekundärelektroneneffizienz hergestellt,

vorwiegend aus BeO (gute Hochtemperatureigenschaften) oder Cs3Sb.

Optische’ Elektronenaustrittsarbeit WA bei Metallen (linkes Bild), Halbleitern (mittleres Bild) und Halbleitern mit

negativer Elektronenaffinität, d. h. Evak < EL (rechtes Bild). EF: Fermi-Energie, EV: Valenz-, EL: Leitungsband,

Evak: Vakuumniveau.

Empfindlichkeit: Das Maximum der Quantenausbeute bei Photomultipliern liegt je nach

Kathodenmaterial zwischen 0.1 und 30 %, d. h. jedes tausendste bzw. dritte auf die

Photokathode treffende Photon löst dort ein Elektron aus. Der spektrale Verlauf ist im

langwelligen Bereich durch die Austrittsarbeit bestimmt, im kurzwelligen Bereich in der

Regel durch das Fenstermaterial Photo – Widerstand (PR), Photoleiter

Quelle: Elektronische Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler, Universität Osnabrück Wintersemester 2003/04

Photowiderstand

Schaltzeichen:

Photowiderstände und Photodioden beruhen beide auf dein inneren photoelektrischen

Effekt: Einfallende Strahlung wird oberhalb einer kritischen Quantenenergie vom Halbleiter

absorbiert, indem ein lokalisiertes Valenzelektron in den Kristall als Leitungselektron

freigesetzt wird. Es entsteht neben diesem Leitungselektron ein positives Defektelektron im

Valenzband (---> Trägerpaarbildung). Bei diesen hier ausschließlich interessierenden

Photodetektoren ist demnach das elektrische Ausgangssignal proportional zur Anzahl (n)

der einfallenden Lichtquanten. Die beschriebene beleuchtungsgesteuerte Generation freier

Ladungsträger führt nur bei Halbleitern zu verwertbaren elektrischen Effekten. Bei Metallen

hingegen überdeckt die hohe Grunddichte von freien Elektronen diesen Photoeffekt

vollständig. Neben der einfachen Anhebung von Valenzelektronen ins Leitungsband

(intrinsischer Photoeffekt; h·f >Bandlücke,) kommt in Sonderfällen (Infrarot = IR) der

extrinsische Effekt zum Einsatz; hier entstammen die lichtgenerierten Leitungselektronen

ortsgebundenen Störstellen.

199


Links: Tragerpaarbildung im Photowiderstand. Signalabgriff (U2) an RL. Situation des Photowiderstandes („LDR"

= light dependent resistor): Eine dünne Schicht eines Halbleiters ist mit zwei sperrfreien Kontakten versehen. Die

einfallende Lichtenergie Ф entspricht n Photonen der Quantenenergie h·f (h: Planck’sches Wirkungsquantum, f:

Frequenz der elektromagnetischen Strahlung). Für den äußeren=extrinsischen Photoeffekt ist h·f > Bandlücke =

Bandabstand: jedes Photon erzeugt ein Ladungsträgerpaar, dass zu einem Stromlfuss I beiträgt. Am

Lastwiderstand RL wird das Nutzsignal U2 abgegriffen. Ohne Beleuchtung bleibt allerdings eine Rest=Dunkel-

Leitfähigkeit des Halbleiters infolge thermisch bedingter Eigenleitung (Dunkelstrom). Ist die Dunkelleitfähigkeit χd

sehr viel größer als die infolge der Bestrahlung zu erwartende Änderung der Leitfähigkeit (∆χ


E g

E


EL

EV

ED


EA

Der erste. Halbleiter war PbS; er ist immer noch wichtig.

X

201

intrinsischer Halbleiter: hν ≥ Eg

extrinsischer Halbleiter: hν ≥ ED; n – Typ

Halbleiter

hν ≥ EA: p – Typ Halbleiter

Belichtungsmesser in Kameras arbeiteten mit einem Photowiderstand.

E

EL

EV

Photodiode (PD):

Schaltzeichen:

Signale:

Phononenemision

Eg

x

Phononen → „Rauschen“, Erwärmung

• Photostrom (geschlossener Stromkreis): ISC ~ PLicht

Kurzschlussstrom (in Richtung des Sperrsättigungsstroms)

• Photospannung (offener Stromkreis): UOC ~ Du

(Diffusionsspannung< 1/e • Eg offene

Klemmenspannung

Effekt: Sperrschicht Photoeffekt

• n → n – Typ Halbleiter (Elektronen = Majoritätsträger)

• p → p – Typ Halbleiter (Löcher = Majoritätsträger)

⇒ Wahrscheinlichkeit nimmt mit

zunehmender Energie ab

⇒ „Grenze“ der Empfindlichkeit nach oben

U

P el


Bänderschema einer Fotodiode ohne äußere Spannung, die

Lage des Fermi-Niveaus ist gestrichelt eingezeichnet. Quelle,

Elektronik für Ingenieure

202

Der Photostrom Iph ist ein von der Beleuchtung

abhängiger Sperrstrom. D.h. die Kennlinie einer

(Photo)diode ist mit zunehmender

Beleuchtungsstärke nach unten verschoben.

Querschnitt durch eine Si-Photodiode (Werkbild Siemens) Absorption von Strahlung verschiedener

Wellenlänge in einer Fotodiode: λi-1 < λi

Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der

Beleuchtungsstärke gehorcht im wesentlichen

einem logarithmischen Gesetz

Photodioden, die wichtigste Gruppe der Sperrschicht-Photodetektoren, stellen im

Gegensatz zum passiven Photowiderstand optisch gesteuerte Spannungsquellen dar: Die

von Lichtquanten erzeugten Elektronen-Loch-Paare werden durch die am p/n-Übergang

anstehende Diffusionsspannung getrennt. Die Eindringtiefe des Lichtes ist

wellenlängenabhängig.

Wird ein Photon mit ausreichender Energie in der (durch Ladungsrekombination an freien

Ladungsträgern verarmten) Raumladungszone (RLZ) absorbiert, dann wird ein freies

Elektron im Leitungsband erzeugt und ein freies Loch bleibt im Valenzband zurück. Infolge

des eingebauten elektrischen Feldes (Diffusionsspannng Ud) werden die beiden

Ladungsträger sofort getrennt, und zwar wird das Loch zur p-Seite, das Elektron zur n-Seite

befördert. Diese Ladungstrennung geht ohne äußere Spannung vonstatten, kann aber

durch Anlegen einer Spannung beeinflusst werden.

Wird die Diode mit offenen Enden betrieben bzw. mit einem sehr hochohmigen

Lastwiderstand, dann lädt sich die p-Seite positiv, die n-Seite negativ auf. Die

Diffusionsspannung wird abgebaut und an den Enden ist die Leerlaufspannung UL

abgreifbar. Die maximale Leerlaufspannung ist zwangsläufig immer kleiner als die


Diffusionsspannung, so dass gilt: UL < Ud bzw. UL < Eg/e. Dioden mit großem Bandabstand

Eg liefern eine große Leerlaufspannung UL.

Werden die Enden der Diode kurzgeschlossen, dann fließt im äußeren Stromkreis der

Photostrom Iph (Kurzschlussstrom IK), der die Richtung eines Sperrstroms hat. In diesem

sog. „Elementbetrieb“ mit einem zwischen den Enden geschalteten Verbraucherwiderstand

arbeitet die Photodiode als Stromgenerator und wird auch Fotoelement oder Solarzelle

bezeichnet. Die übliche Solarzelle ist für große Leistungen ausgelegt und speziell für das

Sonnenspektrum optimiert.

Photo – Transistor

Eine Photodiode ist ein Transistor mit pnp- oder npn-Schichtenfolge, dessen Basis-

Kollektor-Sperrschicht einer externen Lichtquelle zugänglich ist. Er besteht im Prinzip aus

einer mit einer zusätzlichen Sperrschicht zum Transistor erweiterten �Photodiode. Die

durch den Lichteinfall erzeugte Spannung steuert den Phototransistor, ähnlich wie die

Basisspannung einen üblichen Transistor.

Quelle: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2004

Schaltzeichen:

oder

Quelle: http://www.elektronikkompendium.de/sites/bau/0207012.htm

npn-Transistor: linke n-Schicht: Emitter, mittlere p-Schicht: Basis,

rechte n-Schicht: Kollektor. Quelle: Microsoft Encarta

Professional 2003.

203

Das n-Material links auf dem Diagramm

stellt das Emitterelement des Transistors

dar, also die Elektronenquelle. Um einen

Elektronenfluss durch die n-p-Trennschicht

zu ermöglichen, weist der Emitter eine kleine

negative Spannung gegenüber der p-

Schicht (Basis) auf. Die Basis steuert den

Elektronenfluss (z.B. durch Bestrahlung).

Das n-Material in der Schaltung am

Ausgang dient als Kollektorelement. Der

Kollektor weist gegenüber der Basis eine

hohe positive Spannung auf. Dadurch wird

ein Stromfluss in die Gegenrichtung

verhindert. Elektronen, die sich vom Emitter

zur Basis bewegen, werden vom positiv

geladenen Kollektor angezogen und fließen

durch den Ausgangsschaltkreis. Die

Eingangsimpedanz, der Widerstand gegen

den Stromfluss, zwischen Emitter und Basis

ist niedrig, während die Ausgangsimpedanz

zwischen Kollektor und Basis hoch ist. So

verursachen kleine Veränderungen in der

Basisspannung große Veränderungen im

Spannungsabfall über dem

Kollektorwiderstand und machen den


204

Transistor zu einem effektiven Verstärker.

Der Fototransistor ist ein Detektor mit

innerer Verstärkung. Der Basis-Kollektor-

Übergang ist großflächig ausgeführt und in

Sperrichtung gepolt (Kollektor start positiv).

Durch Photonenabsorption erzeugte freie

Elektron-Loch-Paare werden im elektrischen

Feld der Basis-Kollektor-Diode getrennt. Die

Elektronen fließen zum Kollektor, die Löcher

zur Basis und von dort weiter über den

flussgepolten Basis-Emitter-Übergang zum

(negativ geladenen) Emitter. Dadurch steigt

die Flussspannung an der Basis-Emitter-

Diode leicht an, was zur Folge hat, dass

Elektronen vom Emitter in die Basis und weiter

zum Kollektor fließen.

Der Fototransistor hat eine leichte Ähnlichkeit mit einem normalen Transistor. Zusätzlich

besitzt der Fototransistor ein lichtdurchlässiges Gehäuse. Bei einigen von ihnen ist der

Basisanschluss herausgeführt (mitte links unten). Dadurch ist eine

Arbeitspunktstabilisierung möglich. Fototransistoren ohne Basisanschluss werden nur über

Licht gesteuert (mitte rechts unten). Die Basis ist eine lichtempfindliche Halbleiterschicht,

die den Transistor schaltet, wenn Licht auftrifft, d.h. den als Fotodiode wirkenden pn-

Übergang zwischen Basis und Emitter. Das kann auch IR-Licht oder Laser sein. Der

Fotostrom wird dann an Ort und Stelle im Transistor verstärkt, sodass ein Fototransistor

direkt kleine Verbraucher (mA-Bereich) schalten kann.

Festkörper - Bildsensoren

Zusätzlich: Ortsinformation (örtlich aufgelöste Strahlungsverteilung)

Positions – Sensor, PSD (Position Sensing Device / Detectors)

Bauelement Struktur: langgestreckte PIN – Photodiode

• Zeilenform

• Flächenform

Position Sensing Detectors

"PSD" are silicon photodiodes that provide an analog output directly proportional to the

position of a light spot on the detector active area. The PSD allows you to simultaneously

monitor position and light intensity. The PSD is a continuous analog position sensor and

compared to discrete element devices the PSD offers outstanding position linearity, high

analog resolution, last response time and simple operating circuits.


Die pin-Diode besteht aus einer breiten eigenleitenden Schicht (i:

intrinsic), die beidseitig von einem hochdotierten p+- bzw. n - -Gebiet

eingeschlossen ist (Sandwich-Struktur). Bei genügender Breite w

werden die meisten Photonen in der i-Zone absorbiert und erzeugen

dort je ein Elektron-Loch-Paar. Da die angelegte Sperrspannung

praktisch vollständig über der i-Zone abfällt, werden die

Ladungsträger durch das elektrische Feld getrennt und driften relativ

rasch (mit Sättigungsdriftgeschwindigkeit vs) in das angrenzende n-

bzw. p-Gebiet.

Prinzip: Stromverteilung zwischen Kontakt A und Kontakt B. Quelle: http://www.on-trak.com/theory.html

The one-dimensional PSD is able to detect a light spot moving over its surface in one

direction. The photoelectric current generated

by the incident light flows through the device and can be seen as an input bias current

divided into two output currents. The distribution of the output currents show the light

position on the detector.

Photodioden – Array, PD – Array:

Matrix aus einzelnen Photodioden. Hohe Empfindlichkeit, aber geringe Auflösung und

große Pixelabmessungen.

205


CCD, Charge Coupled Device

206

Feldeffekttransistoren beruhen auf dem

Volumeneffekt. Die Leitfähigkeit in einem

bestimmten Volumen, dem Kanal, wird von

der Spannung an einer isolierten

angebrachten Steuerelektrode (Gate =

Basis) beeinflusst. Der Strom durch den von

zwei Elektroden (Source = Emitter und Drain

= Kollektor) begrenzten Kanal ist nichtlinear

von der Spannung über dem Kanal UDS und

der Spannung an der Steuerelektrode (Gate)

UGS abhängig. Source und Drain werden

gegenüber dem Substrat (Bulk) durch p-n-

Übergänge separiert. Die p-n-Übergänge

werden in Sperrrichtung betrieben. Es bildet

sich erst dann ein leitfähiger Kanal im p-

Gebiet der Gateelektrode, wenn eine

ausreichend hohe positive Spannung beim

Gate anliegt (Schwellspannung).

Potentialtopf → Verarmungsrandschicht: + Spannung ⇒ Verarmung an Majoritätsträgern:

E

n -Typ HL

Oxid

E FMetall

Metall

Randverbiegung durch angelegte Spannung

Funktionsweise

x

E

n -Typ HL

A charge-coupled device (CCD), is an integrated circuit containing an array of linked, or

coupled, capacitors. Under the control of an external circuit, each capacitor can transfer its

electric charge to one or other of its neighbours.

When a photon strikes an atom, it can elevate an electron to a higher energy level, in some

cases freeing the electron from the atom. When light strikes the CCD surface, it frees

electrons to move around and they accumulate in the capacitors. Those electrons are

shifted along the CCD by regular electronic pulses and "counted" by a circuit which dumps

the electrons from each pixel in turn into a capacitor and measures and amplifies the

voltage across it, then empties the capacitor. This gives an effective black & white image of

how much light has fallen on each individual pixel.

CCDs containing a single row of capacitors can be used as delay lines. An analogue

voltage is applied to the first capacitor in the array, and at regular intervals a command is

given to each capacitor to transfer its charge to its neighbour. Thus the entire array is

Oxid

Metall

x


shifted by one location. After a delay equal to the number of capacitors multiplied by the

shift interval, the charge corresponding to the input signal arrives at the last capacitor in the

array, where it is amplified to become the output signal. This process continues indefinitely,

creating a signal at the output that is a delayed version of the input, with some distortion

due to sampling. A CCD used in this way is also known as a bucket-brigade delay line. This

application of CCDs has now been mostly superseded by digital delay lines.

CCDs with several rows of pixels shift the charge down in the fashion of a vertical shift

register and only the last row is read out in a horizontal shift register. The speed of the

measuring circuit must be enough to count out the entire bottom row, then shift the rows

down and repeat for every other row, until it has read the entire frame. In video cameras this

entire process takes place about 40 times a second.

Several factors can affect whether a photon releases an electron: circuits on the CCD

surface can block light from entering; longer wavelengths can penetrate certain depths of

the CCD without interaction with the atoms; some shorter wavelengths may reflect off the

surface, and so on.

Knowing how many of the photons which fall on the photoreactive surface will release an

electron is an accurate measurement of the CCD's sensitivity. This figure is called "quantum

efficiency" and is given as a percentage.

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/CCD, http://videoequipment.globalspec.com/LearnMore/Sensors_Transducers_Detectors/Vision_Sensing/CCD_Image_Sensors

CCDs bestehen aus einer Matrix von Fotodioden. Die Fotodioden wandeln Lichtenergie in

Form von Photonen in elektrische Ladungen um. Die Elektronen, die durch Interaktion von

Licht mit Siliziumatomen entstehen, werden in einem Ladungspool in Form eines

Kondensators gesammelt. Später wird jedes so erzeugte Ladungspaket mit Hilfe von

Schieberegistern über den Chip zum Ausgang und zu einem Verstärker transportiert.

Folgende Skizze zeigt verschiedene Komponenten, die zu einer CCD gehören.

At the heart of all charge-coupled devices (CCDs) is a light-sensitive metal oxide

semiconductor (MOS) capacitor, which has three components consisting of a metal

electrode (or gate), an insulating film of silicon dioxide, and a silicon substrate.

Quelle: http://www.microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/moscapacitor.html

207


Dabei führt eine bestimmte Steuerspannung immer einen der zwei komplementären Transistoren in den

sperrenden, den anderen in den leitenden Zustand. Schaltet man beide Transistoren in Reihe, so fließt

unabhängig von der Steuerspannung kein Strom von der Versorgungsspannung zum Bezugspunkt. Lediglich im

Umschaltmoment fließt kurzzeitig ein Strom.

Quelle: http://www.informatik.hu-berlin.de/~meffert/Seminararbeiten/Weitere/Cmos/Ccd-cmos.pdf und

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.html

Der Auslesevorgang bei einer CCD ist, was die Auslesereihenfolge für die einzelnen

Bildpunkte angeht, sehr unflexibel. Bildpunkte können nicht einzeln adressiert werden. Das

Hauptmerkmal einer CCD ist das große Feld von in Reihe geschalteten Schieberegistern.

Nachdem innerhalb einer jeden Fotodiode Elektronen gesammelt wurden, werden die

Elektronenpakete zur Elektrode gebracht. Ist der Ladungspool mit Elektronen aus der

Verarmungszone gefüllt, werden die Ladungspakete durch eine Kombination von parallelen

und seriellen Transfers so zu einem einzigen Ausgangsknoten an der Ecke des Chips

geführt. Der Ausleseprozess ist oft sogar schnell genug, um zeitgleich zu einem erneuten

Belichtungsvorgang für das nächste Bild zu erfolgen.

Eimerkettenmodell zum Auslesen der einzelnen Pixel: Ein horizontales Schieberegister schubst die Ladungen

eines Pixels in einen Strom-Spannungswandler. Sind die Pixel einer Reihe ausgelesen, schiebt ein vertikales

208


Schieberegister die nächste Pixelzeile in die Ausleseposition.

Herstellungsschritte einer CCD-Photodiode

27 Prozessierungsschritte zur Herstellung eines CCD-Pixels.

209


Quelle: http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/photomicrography/ccd/virtual2/

Typische Daten von CCD – Bausteinen:

Zeilen CCD Flächen CCD

Pixel < ~3456 ~ 754 × 488 2048 × 2048

Pixelgröße 10,7µm × 10,7µm 11,5µm × 27µm 15µm × 15µm

Dynamischer Bereich 1000 : 1 60 : 1

Ladungsübertragung 99,999% 99,995%

Belichtungszeit 10ms 16,6ms

Transferrate 50ns 50ns

Aktive Fläche 40 × 3 mm² 12 × 8 mm²

Active Pixel Sensor (APS) - CMOS

Active-Pixel Architectures: Each pixel of a CMOS active-pixel image sensor contains not

only the photo-detector element (a photodiode or a photogate) but also active transistor

circuitry (an amplifier) for readout of the pixel signal. While the advantages of such a

structure had been known in theory since the 1960s, their realization did not come until

1993, when a breakthrough at NASAs Jet Propulsion Laboratory finally achieved scientificgrade

performance in a CMOS implementation.

Quelle: http://www.micron.com/products/imaging/technology/pixel.html#MicroCFAs

210


Unterschiede zwischen CCD und APS-CMOS

CMOS sensors are much less expensive to manufacture than CCD sensors.

Both CCD (charge-coupled device) and CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor)

image sensors start at the same point -- they have to convert light into electrons. If you have

read the article How Solar Cells Work, you understand one technology that is used to

perform the conversion. One simplified way to think about the sensor used in a digital

camera (or camcorder) is to think of it as having a 2-D array of thousands or millions of tiny

solar cells, each of which transforms the light from one small portion of the image into

electrons. Both CCD and CMOS devices perform this task using a variety of technologies.

The next step is to read the value (accumulated charge) of each cell in the image. In a CCD

device, the charge is actually transported across the chip and read at one corner of the

array. An analog-to-digital converter turns each pixel's value into a digital value. In most

CMOS devices, there are several transistors at each pixel that amplify and move the charge

using more traditional wires. The CMOS approach is more flexible because each pixel can

be read individually.

CCDs use a special manufacturing process to create the ability to transport charge across

the chip without distortion. This process leads to very high-quality sensors in terms of fidelity

and light sensitivity. CMOS chips, on the other hand, use traditional manufacturing

processes to create the chip -- the same processes used to make most microprocessors.

Because of the manufacturing differences, there have been some noticeable differences

between CCD and CMOS sensors.

• CCD sensors, as mentioned above, create high-quality, low-noise images. CMOS

sensors, traditionally, are more susceptible to noise.

• Because each pixel on a CMOS sensor has several transistors located next to it, the

light sensitivity of a CMOS chip tends to be lower. Many of the photons hitting the

chip hit the transistors instead of the photodiode.

• CMOS traditionally consumes little power. Implementing a sensor in CMOS yields a

low-power sensor.

• CCDs use a process that consumes lots of power. CCDs consume as much as 100

times more power than an equivalent CMOS sensor.

• CMOS chips can be fabricated on just about any standard silicon production line, so

they tend to be extremely inexpensive compared to CCD sensors.

• CCD sensors have been mass produced for a longer period of time, so they are

more mature. They tend to have higher quality and more pixels.

Quelle: http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm

Anwendungsbereiche optoelektronischer Sensoren

Sicherungseinrichtungen

• Lichtschranken, Taster

211


Datenübertragung

• Optokoppler (PIN)

• Lichtwellenleiterkomponenten: Avalanche Photodioden (APD)

Automatisierung:

• Zähler von Teilen oder Ereignissen (Lichttaster, -schranken)

• Prozesskontrolle (Lichttaster, -schranken)

• Logistik (Strichcode – Taster)

• Robotik (Lichttaster, CCD – Kameras, inkrementale Weg-/ Winkelgeber)

Messtechnik:

• Wegmessung/ -steuerung: Lichtschranke, Lichttaster, Positionsmesser,

inkrementale Weg- / Winkelgeber, Dreipunkt – Entfernungsmesser (Triangulation),

absolut Weg- /Winkelgeber

• Gas- /Wasseranalyse: Strömungsgeschwindigkeit, Bestandteile (gasförmig),

Schwebstoffe

212


Beispiel Agilent CMOS Sensor für die optische Maus

213


Quelle: www.agilent.com

Electronic versus Visual Detection

How does the human eye compare with electronic detectors? Figure 6 illustrates spectral

sensitivity curves for the eye, corresponding to photopic and scotopic vision, arising from the

cones and rods (Figure 12), respectively. Peak sensitivity is in the green (photopic at 555

nanometers and scotopic at 507 nanometers) with a maximum quantum efficiency of 3 percent

for photopic vision and 10 percent for scotopic. Our spatial resolution is not uniform because the

cones are not evenly distributed. The highest density occurs in the fovea where the distance

between cones is about 1.5 microns, giving us a 5 to 6 micron limiting spatial resolution on the

retina. Under achromatic (black and white) constant illumination conditions, visual intrascene

dynamic range is only about 50-fold (6 bits). Our visual pigment, rhodopsin, exhibits little thermal

noise, and the minimum detectable signal after dark adaptation is about 100 to 150 photons at the

pupil or about 10 to 15 photons at the retina. The signal/noise for the eye at the visual detection

limit is about 3:1. Lag is about 20 milliseconds at high light levels and about 100 milliseconds in

dim illumination.

It is obvious that, compared to our eyes, a scientific-grade CCD camera has a broader spectral

sensitivity, much higher quantum efficiency, greater integration capability, more uniformity, better

intrascene dynamic range (more "bits"), comparable or higher signal/noise, but lower spatial

resolution. When matched against our visual system, low-light-level cameras have a much wider

spectral range, less lag and far greater sensitivity and resolution under photon-limited conditions.

214


Am Rande

Fleißige Tierchen - Spinnennetz stoppt Autobahnverkehr

Autobahn 5: Spinnen sorgten für Tempo 40

Aus heiterem Himmel meldeten die automatischen

Verkehrsschilder zu Pfingsten ein Tempolimit von

40 km/h auf der A5. Kein Stau, kein Nebel, kein

Wolkenbruch lieferten die Erklärung - emsige

Spinnen lösten das Kriechtempo aus.

Weil am Rhein - Hungrige Spinnen nutzten die

exponierte Lage eines Sensors für Wettermessung

an der Autobahn Karlsruhe-Basel bei Weil am

Rhein zum Netzbau und verwirrten damit den

automatischen Verkehrsrechner.

Der Computer habe trotz Sonnenscheins Nebel gemeldet, teilte ein Sprecher der

Autobahnpolizei am Dienstag mit, und daraufhin sei auf den Verkehrsschildern Tempo 40

angezeigt worden.

Über Pfingsten entfernten Polizisten dreimal die Spinnennetze und ihre Erbauer und

sorgten so für freien Sensorsicht und für freie Fahrt auf der Autobahn. Das Problem sei

schon mehrmals aufgetaucht, sagte der Sprecher.

Quelle: Spiegel Online, 1. Juni 2004, 15:25, http://www.spiegel.de/auto/aktuell/0,1518,302275,00.html

215


Chemische, elektrochemische und biochemische Sensoren

Klassische analytische Instrumente, z. B. Spektrometer, sind genau, vielseitig, teuer, groß

und langsam.

Gesucht ist Chemiesensor auf 1 mm 2 Siliziumchip mit IC-Ausgang: billig, klein, schnell,

weniger genau, spezialisiert.

216


Beispiel für eine substanzspezifische Erkennungsstruktur

Elektrochemische Sensoren

Viele der kommerziell erfolgreichsten

Chemosensoren sind elektrochemischer

Natur. Der wesentliche Vorteil dieser

Sensoren ist, dass sie sofort ein

verwertbares elektrisches Signal liefern.

Je nach der gemessenen elektrischen

Größen unterscheidet man zwischen

potentiometrischen,

amperometrischen und

konduktometrischen Sensoren. Eine

Sonderstellung unter den

potentiometrischen Sensoren nehmen

die Feldeffekttransistoren ein, weshalb

sie separat behandelt werden.

Quelle: http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/transducer.html

Potentiometrische Sensoren

Potentiometrische Sensoren verwenden als Messgröße die Potentialdifferenz zwischen

einer Mess- und einer Referenzelektrode, die durch unterschiedliche Analytkonzentrationen

an den Elektroden hervorgerufen wird. Das bekannteste Beispiel eines solchen Sensors ist

die Glaselektrode, die zur Bestimmung des pH-Wertes in Lösungen verwendet wird.

Als sensitive Schicht wirkt hier eine dünne Glasmembran. Auf einer Seite dieser Membram

befindet sich eine Lösung mit bekannter H + -Konzentration, in die eine Ag/AgCl-Elektrode

als Referenzelektrode eintaucht. Auf der anderen Seite der Membram befindet sich die

Probelösung. Die Meßelektrode steht mit der Probelösung über eine poröse Membran in

Verbindung, die als Glas- oder Platinfritte ausgeführt ist.

Der Messeffekt beruht auf der Ausbildung einer Quellschicht in der Glasmembran, in die

sich die Wasserstoffionen einlagern können. Der Potentialsprung an der Glasmembran

ändert sich mit dem Unterschied in den H + -Konzentrationen der beiden Lösungen.

217


Je nach der Membran, die verwendet wird, kann diese Anordnung auch für andere Analyten

verwendet werden. So wird z.B. LaF3 zur Herstellung fluoridspezifischer Elektroden

verwendet. Jedoch finden nicht nur feste Membranen Verwendung, es kommen auch

flüssige Ionentauscher nach entsprechender Immobilisierung als Membran in Frage.

Die Glaselektrode kann auch an biochemische Problemsstellungen angepasst werden,

indem die Spezifität von Enzymreaktionen ausgenutzt wird. Wenn bei einer Enzymreaktion

H + oder NH3 freigesetzt wird, ändert sich der pH-Wert der Lösung. Diese Änderung kann mit

der Glaselektrode gemessen werden. Da Enzyme sehr spezifisch auf bestimmte Substrate

wirken, kann die Änderung des pH-Wertes über einen bestimmten Zeitraum direkt mit der

Konzentration des Substrates in Zusammenhang gebracht werden. Auf diese Weise kann

die Harnstoffkonzentration einer Lösung mit dem Enzym Urease und einer Glaselektrode

bestimmt werden.

Die Lambda-Sonde, der weltweit am häufigsten eingesetzte Chemosensor, ist ebenfalls ein

potentiometrischer Sensor. Der Elektrolyt der Lambda-Sonde ist ein keramischer Feststoff

aus ZrO2/Y2O3, in dem bei der Betriebstemperatur Sauerstoffionen die elektrische Ladung

leiten. Ist die Sauerstoffkonzentration an verschiedenen Seiten des Elektrolyten

verschieden, so bildet sich eine Potentialdifferenz aus, die sich nach dem Nernst'schen

Gesetz berechnen lässt. Dieser Sensor findet in Autos millionfach Verwendung, um eine

saubere Verbrennung durch Sauerstoffüberschuss zu gewährleisten.

Eine Lambdasonde ist ein Sensor zur Bestimmung das Sauerstoffgehalts im Abgas. Die Luftzahl

λ (Lambda) ist definiert als:

wobei das stöchiometrische Massenverhältnis im Benzinmotor bei 14,7:1 liegt.

,

218


YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia. Quelle: Beiträge zur Sensorik redox-aktiver Gase, Dissertation, Bernhard Kamp,

MPI für Festkörperforschung, Stuttgart, 2002 & http://www.taunus-biker.de/content/show.php?press=7&subt=3

Amperometrische Sensoren

Die Messgröße amperometrischer Sensoren ist der Stromfluss, der durch die chemische

Umsetzung des Analyten an einer Elektrode ensteht. Dazu wird an die Elektrode eine

konstante Spannung angelegt und der Strom gemessen. Die Selektivität kann dabei über

zwei Parameter eingestellt werden. Einerseits kann eine semipermeable Membran vor die

Elektrode vorgeschalten werden, die nur für bestimmte Stoffe durchlässig ist. Zusätzlich

kann über die angelegte Spannung ein weiteres Selektivitätskriterium eingeführt werden.

Ein Beispiel für einen amperometrischen Sensor stellt die Clark-Elektrode dar, mit der der

Sauerstoffgehalt in Lösungen bestimmt werden kann. Sie besteht aus einer Platinkathode

und einer Silberanode mit einer KOH-Lösung als Elektrolyt. An der Kathode wird Sauerstoff

zu OH - reduziert, an der Anode entstehen Silberionen. Der Nachteil dieser Anordnung

besteht in der Abscheidung von Silberhydroxid an der Anode, was den Widerstand der

Zelle mit der Zeit erhöht. Daher verwendet man auch Bleianoden, da Blei als [Pb(OH)6] 2- in

Lösung geht.

Durch Vorschalten einer sauerstoffproduzierenden Enzymreaktion kann die Clark-Elektrode

auch zur Detektion anderer Substanzen verwendet werden, z.B. Glucose mit Glucose-

Oxidase.

219


Quelle: Beiträge zur Sensorik redox-aktiver Gase, Dissertation, Bernhard Kamp, MPI für Festkörperforschung,

Stuttgart, 2002

Konduktometrische Sensoren

Bei konduktometrischen Sensoren wird die Leitfähigkeit eines Sensormaterials als

Messgröße verwendet. Die Funktionsweise dieses Snesortyps lässt sich am besten am

Beispiel des Taguchi- oder Figaro-Sensors erläutern. Er kommt bei der Detektion von

reduzierenden Gasen, v.a. Kohlenwasserstoffen, zum Einsatz. Der Taguchi-Sensor besteht

aus mit Platin oder Palladium dotiertem SnO2. Aufgrund der Sauerstofffehlstellen ist SnO2

bei der Betriebstemperatur von 350 bis 500°C ein n-Typ-Halbleiter. An Luft adsorbiert SnO2

Sauerstoff, der an der Oberfläche reduziert wird, was zu einer Herabsetzung der

Elektronenkonzentration und damit der Leitfähigkeit im Halbleiter führt. Reduzierende Gase

reagieren mit dem an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff und führen damit zu einer

Erhöhung der Leitfähigkeit.

220


Tagushi CO-Gassensor: Resistive Sensoren vom Taguchi-Typ bestehen aus porösen Sinterkörpern oder

Schichten aus halbleitenden Metalloxiden. Im weitaus häufigsten Fall n-leitender Materialien vermindert sich der

elektrische Widerstand bei Anwesenheit reduzierender Gase, während er sich in Atmosphären mit oxidierenden

Gasen erhöht. Im Unterschied zu Bulk-resistiven Sensoren ist für den Messeffekt die Widerstandsänderung einer

Randschicht der Keramikkörner verantwortlich. Quelle: www.sensedu.com & Beiträge zur Sensorik redox-aktiver

Gase, Dissertation, Bernhard Kamp, MPI für Festkörperforschung, Stuttgart, 2002

Auf dieser Grundlage wurden bereits zahlreiche Sensoren für H2, NH3, CH4, aber auch für

nicht reduzierende Gase wie CO2 oder O2 entwickelt. Dabei finden Metalloxide wie Fe2O3,

ZnO und TiO2 Verwendung.

Andere Sensoren auf resistiver Basis verwenden kammartig ineinandergreifende

Interdigitalstukturen, die mit organischen elektrisch leitenden Substanzen beschichtet

sind. Phthalocyanine - Moleküle, die in ihren Aufbau dem Chlorophyll ähnlich sind - können

je nach Art des Zentralatoms zur Detektion verschiedener Gase, z.B. CO oder NO2,

verwendet werden.

Feldeffekttransistoren

Mit der fortschreitenden Entwicklung von Halbleiterbauteilen bieten sich dem Analytischen

Chemiker neue Möglichkeiten zur Entwicklung Chemischer Sensoren. Für die Analytiker

von Interesse sind Bauteile, die auf dem Feldeffekt beruhen. Wird ein Halbleiter aus z.B. p-

Silicium an der Oberfläche zu SiO2 oxidiert und auf diese Oxidschicht eine Metallelektrode

aufgebracht, erhält man die grundlegende Anordnung für ein Feldeffektbauteil.

Entsprechend dieser Abordnung werden solche Bauteile oft als MOS (metal-oxidesemiconductor)

oder MIS (metal-insulator-semiconductor) Bauteile bezeichnet.

221


Bei p-Silicium sind die Majoritätsträger positive Löcher, während Elektronen als

Ladungsträger nur in untergeordnetem Maß vorkommen. Die Ladungsträgerkonzentration

im Silicium ist von der an der Elektrode anliegenden Spannung abhängig. Ist die an der

Elektrode anliegende Spannung negativ, so werden sich die positiven Löcher auf Grund der

elektrostatischen Anziehung an der Oxidschicht sammeln. Ein Ladungsdurchtritt wird nicht

stattfinden, da SiO2 ein Isolator ist. Interessanter wird es jedoch, wenn eine positive

Spannung an der Elektrode anliegt. Zunächst werden die positiven Löcher von der

Isolatorschicht abgedrängt, bei zunehmender Spannung bildet sich direkt an der

Isolatorschicht ein Inversionskanal aus, in dem entgegen dem Normalzustand Elektronen

die Majoritätsträger sind.

Quelle: http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/transducer.html

Der Feldeffekttransistor besteht nun aus einem npn-Transistor (in der Abbildung zwischen

Source und Drain), in dessen p-Bereich durch Anlegen einer Spannung an den Gate-

Anschluss ein Inversionskanal erzeugt wird. Über die verschiedenen Arbeitsbereiche des

Feldeffekttransistors soll hier nicht eingegangen werden. Erwähnt sei lediglich, dass es

einen Arbeitsbereich gibt, bei der der Strom zwischen Source und Drain stark von der

Gate-Spannung abhängt und wenig von der Spannung zwischen Source und Drain. Dieser

Bereich kann für sensorische Zwecke verwendet werden.

Ein einfacher Chemosensor auf Basis des Feldeffekttransistors wird zur Detektion von

Wasserstoff verwendet. Hier besteht die Gate-Elektrode aus Palladium. Wasserstoff wird

an der Oberfläche der Elektrode dissoziiert, die einzelnen Atome diffundieren durch das

Edelmetall an die Grenzfläche Metall-SiO2. An der Grenzfläche kommt es durch das

anliegende elektrische Feld zur Ladungverschiebung in der Elektronenhülle der

Wasserstoffatome, wodurch sich Dipole ausbilden. Diese Dipole verändern wiederum das

elektrische Feld, so dass der Source-Drain Strom beeinflusst wird. Die Änderung des

Source-Drain Stroms bei konstanten anliegenden Spannungen ist daher ein Maß für die

Konzentration von Wasserstoff in der umliegenden Luft.

Der Feldeffekttransistor lässt sich auch in Lösung einsetzen. Dabei wird üblicherweise die

Gate-Elektrode durch eine sensitive Schicht ersetzt. Messbar sind alle Effekte, die eine

Änderung des elektrischen Feldes in der Schicht bewirken. Daher eignen sich solche

Sensoren am besten zur Detektion von Ionen. Indem man Schichten aufbringt, die nur

bestimmte Ionen einlagern können, z.B. Kronenether oder Valinomycin für K + erhält man

ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs). Durch Vorschalten von Enzymreaktionen

vor z.B. einen pH-sensitiven Feldeffekttransistor erhält man wieder das Grundmuster für

einen Biosensor.

222


Die Vorteile von Feldeffekttransistoren sind vielfältig: Sie sind billig und miniaturisierbar und

sprechen auf Grund ihrer geringen Größe schnell an. Sie liefern ohne zusätzliche

Umwandlungsschritte ein elektrisches Signal, das weiterverarbeitet werden kann und wirken

bereits auf Grund ihrer Bauweise signalverstärkend.

Transistor (MOSFET-Basis)

Quelle: www.sensedu.com & Beiträge zur Sensorik redox-aktiver Gase, Dissertation, Bernhard Kamp, MPI für

Festkörperforschung, Stuttgart, 2002

The structure of this sensor is similar to the conventional well-known MOSFET transistors,

except for the different type of the metal control (gate) electrode. Hydrogen molecules will

dissociate an the Pd surface and then the hydrogen atoms will be adsorbed. The next step

is absorption and permeation of the atoms to the Pd-oxide interface. The absorbed

hydrogen atoms will shift the characteristics of the FET, thus varying the threshold voltage

VT.

Kalorimetrische Sensoren – Pellistor

Kalorimetrische Sensoren nutzen in der Regel die Reaktionswärme aus, die bei der

Verbrennung der nachzuweisenden Gase entsteht. Das bekannteste Beispiel ist der

Pellistor-Sensor, der aus einem gewundenen Platindraht besteht, welcher von einem

Keramik-Pellet umgeben wird. Der Draht dient einerseits als Heizung und andererseits

durch seinen temperaturabhängigen Widerstand der Temperaturmessung. Das Pellet ist mit

einer katalytisch aktiven Schicht versehen. Auf dieser reagieren brennbare Gase wie z.B.

Methan unter Wärmeentwicklung mit dem Luftsauerstoff, wodurch das Pellet zusätzlich

erwärmt wird. Dies kann auf zwei Wegen nachgewiesen werden: Entweder durch die

Erhöhung des Widerstands der Platin-Wendel bei konstanter Heizleistung oder durch die

verringerte Heizleistung, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur notwendig

ist. Vorteilhaft an diesem Sensortyp sind seine geringen Kosten. Jedoch sind Pellistor-

Sensoren wenig selektiv und die Vergiftung der Katalysator-Schicht kann zu einem

Nachlassen der Empfindlichkeit führen /Jon91/.

Pellistoren bestehen aus keramischen Oxiden wie ThO2 oder Al2O3, die mit katalytisch

wirkenden Metallen, z.B. Pd oder Pt, beschichtet sind. In das Oxid eingebettet sind eine

Heizspule und ein Thermistor, mit dem die Temperatur genau gemessen werden kann. Der

Pellistor wird auf eine Arbeitstemperatur von 550°C gebracht. Bei dieser Temperatur

werden an der katalytischen Oberfläche reduzierende Gase wie CO oder CH4 mit

Luftsauerstoff oxidiert. Die Reaktionswärme führt zu einer Änderung der Temperatur des

Pellistors, die mit dem Thermistor gemessen werden kann. Pellistoren sind billig und

zuverlässig, haben aber den Nachteil, dass sie wenig selektiv sind.

223


Quelle: http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/transducer.html

Optische Gassensoren

Fluoreszenz-O2-Optrode (optical electrode) - Sauerstoff-Gassensor

Fluorescent optrodes utilize the fluorescence quenching of special indicator dyes. In this

cases, the incident light excites a secondary Iight emission with a different wavelength.

Several sensor types were developed for measuring the partial pressure of molecular

oxygen in liquids, for instance, in blood. The fluorescent dye, such as perylene dibutyrate, is

absorbed to organic beds contained within a hydrophobic gas permeable membrane, such

as porous polyethylene tubing. The dye is excited with blue light (468 nm) and it emits

radiation at 514 nm (green).

The oxygen partial pressure can be calculated according to the Stern-Volmer equation:

where A and m are empirical constants. Fluorescent dyes can also be applied for pH

measurements and in other ion-selective optrode types.

Quelle: www.sensedu.com

224


Wasserstoff-Pd-Gassensoren auf metal oxide semiconductor field-effect

Taupunktsensoren

Optische Taupunktsensoren

The photoelectric mode is used most frequently for dewpoint detection. The condensation

surface is polished to mirror-quality reflectivity. A Iight beam is aimed at the mirror and one

(or more) Iight sensors receive the Iight reflected from the mirror; condensation is

accompanied by an abrupt change in the amount of Iight reflected to the sensor(s).

225


Optische Reflektionsmessung: Liegt die Umgebungstemperatur über dem Taupunkt, dann bleibt der Spiegel klar

und reflektiert den Lichtstrahl gleichmäßig. Der Photodetektor nimmt eine hohe Lichtintensität wahr (oben). Fällt

die Objekttemperatur bei gegebener Luftfeuchte jedoch unter den Taupunkt, dann kondensiert Feuchtigkeit auf

dem Objekt. Das Licht wird am Spiegel nicht mehr gleichmäßíg reflektiert und führt zu einer Abnahme der

detektierten Lichtintensität (unten).

Quelle: www.sensedu.com

Kapazitive und resistive Feuchtesenoren

Änderung der Kapazität bzw. des Widerstands proportional zur Luftfeuchtigkeit.

226


The structure and operation principles of impedance-type sensors are the most simple.

Animations show some possible device structures: the sheet capacitor and the film resistor,

respectively. Measurand changes alter the permittivity and/or resistivity of the sensitive

layer, which, in turn, produces the variation of capacitance and/or resistance values of the

sensor. There are also generator type effects that can be applied to produce voltage output

at sheet capacitors; the basis is the polarization or surface charge density variations within

the dielectrics (e.g., as a result of the piezoelectric or pyroelectric effect.)

The interdigital device structure is rarely used in integrated devices since only small

capacitance and resistance values can be realized. It is, however, a very popular structure

in the sensorics because of its large free surface, which can interact with the environment.

The mathematical expressions for the design are here much more complicated. The

capacitance value is determined not only by the geometry and the permittivity of the

dielectric layer, but also by the permittivity of the substrate and the gas or liquid

environment. This interdigital structure can also be used as a resistor. At AC investigations

of the interdigital structure, both capacitive and resistive behaviors must be taken into

account. The equivalent circuit model is shown, including interface impedance as well. In

the model, Rb is the bulk resistance of the film; Re and Ce are the dielectrics/electrode

interface resistance and capacitance values, respectively; and Cg is the geometric

capacitance, which consists of the bulk dielectrics capacitance and the stray capacitance.

The parameters can be measured experimentally by the complex impedance spectra

method using the so-called Cole-Cole plots. The picture also shows a typical complex

impedance diagram for interdigital structures using layers with relatively low permittivity and

large resistivity. If Cg-Rb and Ce-Re pairs are dominating different frequency ranges, Rb

and Cg can be determined simply from the complex impedance spectra, as it is shown.

Ersatzschaltkreis und Impedanzspektrum einer Interdigitalsschaltung mit Imaginär- (y) und

Realteil (x) des Wechselstromwiderstands (=Impedanz). Die einzelnen Beiträge Re und Ce

ändern sich als Funktion der Umgebungsvariablen. Die Frequenz f nimmt nach rechts hin

ab.

Biosensoren

Der Begriff Biosensor wird für einen Aufbau verwendet, in dem eine biologische

Komponente (z.B. ein Enzym, ein Antikörper oder ein Mikroorganismus) unmittelbar mit

einem Signalwandler (z.B. einer Elektrode, einer optischen Faser, einem Piezokristall oder

einem Transistor) verbunden ist.

227


Elektrochemische Detektion

Diese große Sparte von Biosensoren teilt sich nochmals in verschiedene Unterarten auf. Zu

nennen sind hier die Amperometrie und die Potentiometrie.

Bei der Amperometrie wird in einer Messkammer an zwei Elektroden bei konstanter

Spannung der Stromfluss gemessen. Sie ist geeignet für Stoffwechselprodukte, die leicht

oxidiert bzw. reduziert werden können (H2O2).

Die Potentiometrie wird bei ionischen Reaktionsprodukten eingesetzt (NH4 + ; CO3 2- ; H + ). Die

quantitative Bestimmung dieser Ionen erfolgt anhand ihres elektrochemischen Potentials an

einer Messelektrode.

Ein einfacher Biosensor zum Nachweis von Glucose könnte somit aus einer pH-

Glaselektrode aufgebaut werden, die von einer Membran umgeben ist, welche mit den

Enzymen Glucoseoxidase und D-Gluconolactonase gefüllt ist. Die H + -Konzentration

innerhalb der Membran steht in Relation mit der Glucose-Konzentration.

Der Glucosenachweis nach L. Clark war 1972 eines der ersten Anwendungsgebiete der Biosensoren. Deshalb

gibt es zu diesem Gebiet auch verschiedenste Ansatzmöglichkeiten. Quelle: http://www.unibayreuth.de/departments/ddchemie/umat/biosensoren/pc.htm

Technisch relevant hingegen sind solche Sensoren, bei denen die biologischen

Komponenten direkt auf einen Silizium-Halbleiterchip aufgebracht werden. Im Falle des pH-

Wertes als Messgröße eignen sich hier Feldeffekttransistoren (MOSFET). Dabei übernimmt

228


H + die Funktion der Ansteuerspannung am GATE-Anschluß (Tor) des Transistors, wobei

der Stromfluss zwischen Source (Quelle) und Drain (Senke) bei steigender H + -

Konzentration zunimmt. Dieser Sensor liefert also ein der Protonenkonzentration

proportionales Signal. Solche Sensoren auf Halbleiterbasis können in Massenfertigung billig

und zuverlässig hergestellt werden. Auch die Vereinigung von Sensor und Auswert-

Elektronik auf einem Chip ist ebenso denkbar wie die Kombination verschiedener Sensoren

zu einem kompakten miniaturisierten Messgerät.

Schwingquarze

Schwingquarze werden als Sensorbauelemente verwendet, da die Resonanzfrequenz der

Schwingquarze auf Massenanlagerungen an ihrer Oberfläche empfindlich ist. Je nach

Oberflächenbeschichtung sind die Bauelemente selektiv für bestimmte Substanzen. Bei

geeigneter Oszillatorschaltungstechnik können diese Sensoren zur Gas- und

Flüssigkeitsanalyse verwendet werden.

Prinzip

Schwingquarze können aufgrund des piezoelektrischen Effekts mittels eines elektrischen

Wechselfeldes zu mechanischen Resonanzschwingungen angeregt werden. Erhöht sich

die Masse an der Schwingquarzoberfläche, z.B. infolge einer immunologischen Reaktion,

erniedrigt sich die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes. Allgemein ausgedrückt

beeinflusst die akustische Impedanz des Materials an der Quarzoberfläche dessen

Resonanzfrequenz.

Durch Beschichtung des Schwingquarzes mit chemisch aktiven Substanzen reagiert die

Resonanzfrequenz des Schwingquarzes selektiv auf bestimmte Substanzen, da sich die

akustische Impedanz des Beschichtungsmaterials bei der chemischen Reaktion ändert. Zur

Zeit werden chemisch hochselektive biologische Moleküle (Antigene und Antikörper) zur

Messung in Flüssigkeiten verwendet (gehäuster Sensor). Zum Nachweis von CO2 in der

Gasphase wird der Schwingquarz mit Heteropolysiloxanen beschichtet.

229


Prinzipskizze eines Schwingquarzes mit einer selektiven

Beschichtung

230

Durchflusszelle mit Schwingquarzsensor

Quelle: http://www.ims.fhg.de/datenblaetter/biochem_sensorik/chemsens/chemsens-d.html

Einsatzgebiete der Biosensoren

Medizin

Umweltanalytik

Nahrungsmittelkontrolle

Zur Bestimmung von Stoffwechselprodukten wie Blutzucker,

Cholesterin oder Harnstoff ohne langwierige

Laboruntersuchungen. Atemanalyse zur Diagnose von

Krankheiten.

Zum Nachweis toxischer Verbindungen im Trinkwasser wie

Pestizide. Solche Verbindungen müssen mit Empfindlichkeiten

von bis zu 0,1 g · l -1 erfasst werden.

Hier interessieren komplexe Parameter wie Duft, Frische oder

Aroma. Ziel ist es, eine "künstliche Nase" zu bauen, die

unbeeinflusst von persönlichen Vorlieben konstante Ergebnisse

liefert. In Japan befindet sich z.B. schon ein Fisch-Frische-

Sensor unter dem Namen Freshness Sensor auf dem Markt.

Quellen: http://www.3sat.de/3sat.php?http://www.3sat.de/nano/bstuecke/15939/index.html & Quelle:

http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/biosensoren/pc.htm


Kombination von Sensorik und Aktorik

Die Kombination aus Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren gestattet es,

Prozessabläufe zu automatisieren, wie es das folgende Schema verdeutlicht.

Quelle: http://alserver01.human.uni-potsdam.de/laabs/STR/skripte/SKRIPT-Grundlagen.pdf

• Sensoren erfassen (messen) die Prozesszustände und erzeugen Messsignale.

• Die Messsignale werden für den Prozessor aufbereitet, Signalanpassung.

• Der Prozessor verarbeitet die Messsignale.

• Ein Programm beinhaltet die Verarbeitungsvorschrift für den Prozessor.

• Die vom Prozessor erzeugten Signale werden für die Aktoren aufbereitet,

Signalanpassung.

• Die Aktoren wirken auf den Prozess direkt ein.

• In umfangreichen Systemen gibt es über Netzwerke Verbindungen zwischen mehreren

Prozessoren.

Aktoren

Aktoren (engl. Actuators) stellen die Verbindung zwischen der Informationsverarbeitung

(Steuerung) und dem zu beeinflussenden Prozess dar und haben die Aufgabe, Energie

entsprechend den vorgegebenen Steuerbefehlen prozessgerecht einzustellen

(Leistungsverstärkung) und dem Prozess als mechanische Energie bzw. Leistung

(translatorisch bzw. rotatorisch) zuzuführen.

231


Quelle: Prof. Dr. Manfred Lohöfener, http://www.fh-merseburg.de/~lohoefen

232


Zuordnung von Betätigungsenergien und realisierbaren Aktor-Wirkprinzipien. Quelle: D. J. Jendritza,

Technischer Einsatz neuer Aktoren. (Aber auch: Lichtdruck):

Umsetzung einer elektrischen Größe in eine physikalische/chemische Größe, i.a.

elektromechanische Stellelemente

• Ventile

• Motoren

• Schalter/Relais

• Schallsender

• Pumpen

• Filter

• x/y/z – Tische

• Spiegel

Quelle: Benecke, Universität Bremen

Aktoren in der Kraftfahrzeugtechnik - Einige Beispiele

• Drosselklappen- und Nockenwellenverstellung,

• Spritzmengenverstellung und Einspritz-Ventilsteuerung,

233


• Einstellung der Leerlaufdrehzahl und variable Verdichtungssteuerung,

• variable Ansaug- und Abgaskanalgeometrie und Abgasrückführung (VIF-System),

• aktive Motorlagerungen und Antischallsysteme für Abgasanlagen und Innenraum,

• variable Dämpferkraftverstellung und aktive Federung,

• aktives Anti-Blockiersystem (ABS) und Bremsbetätigung, (siehe auch Beispiel

Lenkunterstützung (SO 2004-07-19)

• Lüfter-, Fensterheber-, Sitz-, Spiegel-, Scheibenwischer- und Antennenantriebe.

• Servolenkung

Elektromechanische Servolenkung: Electric Power Assisted Steering (EPAS) Quelle: http://clmonline.de/public/HDT_EPASTuning_Paper.pdf;

http://auto.howstuffworks.com/steering1.htm;

234


Ausgewählte Einsatzmöglichkeiten von neuen Aktoren in Automobilen und Einsatzmöglichkeiten adaptiver

Systemkonzepte. Quelle: D. J. Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren.

Beispiel: Lenkassistent

Quelle: SPIEGEL ONLINE - 17. Juli 2004, 8:55; URL:

http://www.spiegel.de/auto/werkstatt/0,1518,308601,00.html

Der Lenkassistent erkennt kritische Fahrsituationen und ermittelt das optimale Lenkverhalten. Der Fahrer muss

die Assistenzfunktion akzeptieren. (Giermoment = Drehen des Fahrzeugs um die Hochachse = Normale auf

Autodach) Siehe auch: http://www.kfztech.de/kfztechnik/sicherheit/ESP.htm

Droht ein Auto ins Schleudern zu kommen, ist schnelles und richtiges Lenken gefragt.

Bosch entwickelt dafür gerade eine Assistenzfunktion, die dazu die Servolenkung verstärkt

oder reduziert. Zurzeit läuft die Erprobung mit Prototypen. Mit einem Automobilhersteller will

Bosch den Lenkassistenten zur Serienreife führen.

Das Besondere an dem System ist die Tatsache, dass es sich allein durch eine zusätzliche

Software realisieren lässt. Das Auto muss nur mit einem Elektronischen Stabilitäts-

Programm (ESP) und einer elektrischen Servolenkung ausgestattet sein. Anhand der ESP-

235


Sensordaten des Pkw erkennt der Lenkassistent kritische Fahrsituationen und ermittelt das

optimale Lenkverhalten. Stimmt das aktuelle Lenkverhalten des Fahrers nicht mit den

ermittelten Werten überein, wird die Servo-Unterstützung verstärkt oder reduziert. Das

veränderte Lenkmoment beeinflusst nun den Fahrer, seinen selbst gewählten Lenkwinkel

anzupassen. Das ESP muss über die Bremsen erst in besonders kritischen Situationen

eingreifen.

Beispiel: Droht ein Auto zu übersteuern, muss sofort gegengelenkt werden, um ein

Schleudern zu vermeiden. Häufige Fehler ungeübter Fahrer dabei sind zu spätes, zu

geringes und dann zu lang anhaltendes Gegenlenken. Oder beim Untersteuern lenkt der

Fahrer oft zu stark ein, was die Seitenführungskräfte der Reifen überfordert. In beiden

Situationen soll der Lenkassistent den Fahrer unterstützen, die Situation durch präzise

Lenkmanöver zu entschärfen.

Auch bei Vollbremsungen auf einseitig glatter Fahrbahn soll das System mehr Sicherheit

bringen. Denn auch mit ABS-Funktion muss der Fahrer durch leichtes Gegenlenken das

Fahrzeug stabil halten. Eines der Probleme, das den Bosch-Leuten noch Sorgen macht, ist

der Fahrer. Denn er sollte die Assistenzfunktion auch akzeptieren. Deshalb muss der

Lenkassistent so ausgelegt werden, dass er unterstützt, aber nicht bevormundet. Die ersten

Testfahrer, die das System bereits testeten, versicherten laut Bosch, dass sich mit

aktivierter Funktion kritische Situationen sicherer und einfacher meistern ließen.

Involvierte Sensoren

Andere Sensoren signalisieren:

• Wie hoch ist der momentane Bremsdruck?

• Wie ist die Stellung des Lenkrades?

• Wie groß ist die Querbeschleunigung?

• Wie hoch ist das Tempo?

• Wie unterschiedlich sind die Raddrehzahlen?

Bei jedem instabilen Verhalten werden in Sekundenbruchteilen die notwendigen Befehle

errechnet und der Wagen stabilisiert. Aus den Daten dieser Sensoren ermittelt der

Systemrechner Abweichungen zwischen "Soll" und "Ist" und steuert dann als elektronischer

Schutzengel die notwendigen Bremseingriffe.

Drehraten- und Überrrollsensor Beschleunigungssensor

236


Der Drehratensensor misst die Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Hochachse. Er

besteht aus einem mikromechanischen Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis

zur Auswertung der Signale. Ein weiterer Drehratensensor der neuesten Generation misst

zusätzlich die Bewegung um die Längsachse. So erkennt der Sensor auch, wenn sich das

Fahrzeug zu überschlagen droht.

Prinzipien

Elektromotoren

Elektromechanische Aktoren dienen in mechatronischen Systemen als Stellantriebe zur

Erzeugung von Kräften und Bewegungen für mechanische Systeme. Elektrische

Kraftmaschinen zum Antrieb von Arbeitsmaschinen sind, streng genommen, keine Aktoren.

Physikalisches Prinzip

Quelle: Tipler, Physik, S. 828f, 877ff, 976ff.

Kräfte, die auf eine stromdurchflossene,

rechteckige Leiterschleife wirken, wenn diese

sich in einem homogenen Magnetfeld B befindet,

das parallel zur Schleifenebene liegt. Durch die

Kräfte entsteht ein Drehmoment, das versucht,

die Schleife so zu drehen, daß ihre Ebene

senkrecht zum Magnetfeld steht.

Die Orientierung einer stromdurchflossenen I schleife kann

man durch einen Einheitsvektor, den Normalenvektor n

beschreiben, der senkrecht zur Schleifenebene steht. b)

Rechte-Hand-Regel, mit der sich die Orientierung von n

mitteln lässt. Wenn die Finger der rechten Hand dem Verlauf

der Leiterschleife folgen, wobei die Fingerspitzen in

Stromrichtung zeigen, so gibt die Richtung des Daumens die

Orientierung von n an.

Kraft auf eine mit dem Strom I durchflossene Leiterbahn der Länge l im homogenen

Magnetfeld B:

F = I·l x B

Drehmoment M auf eine vom Strom I durchflossene Leiterschleife der Windungszahl N im

homogenen Magnetfeld B

M = F1·b = N·I·a x B·b

Das magnetische Moment M steht also senkrecht auf der Fläche und damit parallel zur

Flächennormalen n.

|M| = N·I·A·B·cosφ

mit φ Winkel zwischen Flächennormalen n und Magnetfeld.

237


Induktionsspannung und Faradaysches Gesetz

Jede Änderung des magnetischen Flusses Фm durch eine Leiterschleife der Stirnfläche A

induziert in dieser Leiterschleife eine Spannung U, deren Stärke proportional zur Änderung

des Flusses ist.

φ m = ∫ N× BdA × Magnetischer Fluss

A

N: Spulenwindungszahl

B: homogenes Magnetfeld

A: Spulenstirnfläche

U


dt

m =− Faraday’sches Gesetz

Die Größe der Induktionsspannung U hängt nicht von der absoluten Größe des Flusses Фm,

sondern von der Geschwindigkeit ab, mit der er sich ändert.

Lenzsche Regel

Die Induktionsspannung und der Strom, den sie hervorruft, sind stets so gerichtet, dass sie

ihrer Ursache entgegenwirken.

Ein umgekehrt betriebener Stromgenerator ist ein Elektromotor

Anstatt als Generator können wir die Spule im Magnetfeld auch als Motor benutzen. Hierzu

müssen wir nur Wechselspannung an die Spule anlegen, statt sie mechanisch zu drehen.

Auf eine stromdurchflossene Schleife wirkt im Magnetfeld ein Drehmoment, das versucht,

das magnetische Moment der Schleife parallel zum Magnetfeld B, die Schleife selber also

senkrecht zum Magnetfeld zu stellen. Legen wir jetzt Gleichstrom an die Spule an, so wirkt

ein entgegengesetztes Drehmoment, sobald sich die Spule über die Gleichgewichtsposition

hinweggedreht hat. Dies würde dazu führen, dass die Spule nach einigen Schwingungen in

dieser Gleichgewichtsposition zur Ruhe kommt. Wird sjedoch in dem Moment, in dem die

Spule die Gleichgewichtsposition erreicht, die Spannung umgepolt, so wirkt kein

entgegengesetztes Drehmoment, und die Spule rotiert weiter. Während die Spule rotiert,

wird in ihr eine Spannung induziert, die der Antriebsspannung entgegenwirkt. Beim Starten

des Motors ist dies noch nicht der Fall. Deshalb ist in diesem Moment die Stromstärke

extrem hoch. Sie ist letztlich nur durch den Gleichstromwiderstand des gesamten Kreises

begrenzt. Sobald sich die Spule dreht, steigt die in ihr induzierte Spannung, und die

Stromstärke nimmt ab.

238


Legt man an die Generatorspule eine Wechselspannung an, so wird der Generator zum Motor. Wenn die Spule

rotiert, wird eine Gegenspannung induziert, die den Spulenstrom begrenzt.

Bauarten

Gleichstrommotoren

• Nebenschlussmotoren (B (durch Variation von I in der Statorwicklung mittels eines

Widerstands RStator) und U (Motorspule um Anker mit Widerstand RAnker) sind variabel

einstellbar): Parallelschaltung von Stator- und Ankerspulen. Drehmoment prop. I

239


Nebenschlussmotor: Aufbau (links oben),

Kupferstabanordnung mit Angabe der Stromrichtung

bzw. Spulenwicklung um Anker (rechts oben) und

Ersatzschaltbild (links unten); Ri ist ein regelbarer

Widerstand (Potentiometer)

• Reihen- oder Hauptschlussmotoren: Serienschaltung von Stator- und Ankerspulen;

Drehmoment prop. I 2

Ersatzschaltung für einen typischen Gleichstrom-Hauptschlussmotor (serielle Verschaltung von Statorspule und

Ankerspule)

• Fremd erregte Motoren

• Permanent erregte Motoren

Drehstrommotoren

Ein Induktionsmotor (Wechselstrom-Asynchronmotor). Die Wechselspannungsquelle ist hier als AC-Quelle

bezeichnet.

• Synchronmotoren: Läufer dreht sich mit der Netzfrequenz

240


• Wechselstrom-Asynchronmotoren = Induktionsmotor: Durch konstruktive

Maßnahmen dreht sich der Läufer mit einer anderen Frequenz als der Netzfrequenz.

Wie Nebenschlussmotor aufgebaut: Allerdings ist die Spule um den Anker

kurzgeschlossen und die Polschuhe des Stators sind an gegenüberliegenden Enden

geteilt: Erzeugung eines sich drehenden Magnetfeldes.

Wechselstrommotoren

• Kommutatormotoren

• Universalmotoren: leicht, darf nur geringe Induktivität haben; geringes Drehmoment

(Haarfön, Staubsauger (Last ist Luftmasse; bei Verstopfung: Abnahme der

Luftmasse – Erhöhung der Motordrehzahl), Nähmaschine, Mixer)

• Kurzschlussläufermotoren

Quelle: Prof. Dr. Manfred Lohöfener, http://www.fh-merseburg.de/~lohoefen

Quelle: Rolf Isermann: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

241


1999

Gleichstrommotoren

242

Gleichstrommotor mit vier Polen

a) Erregerwicklungen

b) Polschuhe

c) Joch

d) Magnetfluss

e) Läufer

Variablen

UA Ankerspannung

IA Ankerstrom

Ui induzierte Spannung

ω Winkelgeschindigkeit

UE Erregerspannung

IE Erregerstrom

Konstanten

LA Ankerinduktivität

RA Ankerwiderstand

RB Bürstenwiderstand

UB Bürstenspannung

LE Erregerinduktivität

Quelle: Rolf Isermann: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

1999


a) Innenliegender Trommelrotor, fremderregt

b) Innenliegender Trommelrotor, perm.-erregt

c) Scheibenrotor, permanenterregt

d)Glockenrotor, permanenterregt

e) Permanentrotor, bürstenlos, elektronisch kommutiert

1 Erregerwicklung

2 Permanentmagnet

3 Rotor mit Wicklung

4 Kollektor mit Bürsten

5 Magnet. Rückfluss

6 Lagesensor

7 Elektronische Steuerung

Quelle: Rolf Isermann: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

1999

Mechanisch kommmutierte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren für dynamisch schnelle

Stell- und Positionieraufgaben sind heute fast ausschließlich als permanenterregte

Nebenschlussmotoren ausgelegt. Sie zeichnen sich durch einen linearen Strom-

243


Drehmoment Verlauf aus, der von der Winkellage des Rotors nahezu unabhängig ist. Die

Drehrichtung und -geschwindigkeit kann stufenlos und vor allem schaltungstechnisch

einfach über eine Veränderung der Ankerspannung beeinflusst werden. Große

Drehzahlstellbereiche von bis zu 1:10000 und eine hohe Gleichlaufgüte sind dabei keine

Seltenheit. Der Gleichstrommotor bietet daher für Standardaufgaben im Bereich kleiner und

mittlerer Stellleistungen auch heute noch eine sehr gute und auch kostengünstige Lösung.

Die wesentlichen negativen Eigenschaften resultieren im Vergleich zu anderen

Motorkonzepten aus dem prinzipiellen Aufbau. Die in der rotierenden Ankerwicklung

entstehende Wärme kann nicht gut abgeführt werden, so dass auch bei kurzzeitiger

Überlastung des Motors der thermische Gesichtspunkt eine entscheidende Rolle spielt.

Weiterhin begrenzt die mechanische Kommutierung die maximalen Ankerströme im

Stillstand ("Durchbrennen") als auch bei hohen Drehzahlen ("Bürstenfeuer"). Bedingt durch

verschleißende Kohlebürsten kann insbesondere bei low-cost Antrieben ein gewisser

Wartungsaufwand erforderlich sein.

Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München

Vorteile

• gutes Regelverhalten durch lineare

Strom-Drehmoment Charakteristik

• gute dynamische Eigenschaften

• sehr hohe Gleichlaufgüte

• großer Drehzahlstellbereich

244

Nachteile

• Verschleiß von Kommutator und

Bürste (Wartung)

• Stelldynamik und Stillstandsmoment

durch Kommutator begrenzt

• schlechte Wärmeabführung


Elektronisch kommmutierter (bürstenloser) Motor

Bis vor wenigen Jahren wurden für hochdynamische Servoantriebe vorwiegend mechanisch

kommmutierte Gleichstrommotoren eingesetzt. Diese werden im Bereich kleiner bis mittlerer

Stellleistungen zunehmend durch bürstenlose Motoren (Synchronservomotoren) ersetzt.

Die resultierenden Vorteile sind unter anderem die Wartungsfreiheit als auch höhere

Überlastbarkeit der Motoren aufgrund einer fehlenden Kommmutierungsmechanik. Ein

weiterer Vorteil bürstenloser Motoren ergibt sich aus einer besseren Abführmöglichkeit der

in den Statorwicklungen entstehenden Wärme. Das bedeutet gleichzeitig ein günstigeres

Leistungsgewicht als bei vergleichbaren Kommutatormaschinen. Erkauft werden die

Vorteile mit einer komplexen Steuerhardware sowie einem z.T. umfangreicheren

Sensorsystem. Beim bürstenlosen Motor ergeben sich weiterhin Drehmomentwelligkeiten,

die erst mit modernen Konzepten wie z.B. der sinusförmigen Kommmutierung gemindert

werden. Die Gleichlaufgüte kann daher eingeschränkt sein, was sich besonders bei

langsamen Drehbewegungen negativ auswirkt.

Bürstenloser (Synchron-) Motor mit permanenterregtem Läufer. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH

München

Vorteile

• sehr gute Dynamik

• hohe Überlastbarkeit

• wartungsfrei

• geringes Trägheitsmoment und

besseres Leistungsgewicht als

Gleichstrommotor

245

Nachteile

Sensorsystem und aufwendige

Steuerlogik

• häufig eingeschränkte Gleichlaufgüte

(Drehmomentwelligkeit)

• höhere Systemkosten als bei

Gleichstrommotor


Asynchronmotor

1 Stator

2 Blechpaket

3 Kurzschlussring

4 Blechschnitt5 Rotor (Läufer)

6 Rotorstäbe

Drehmomentkennlinie mit Kippmoment Mk

Quelle: Rolf Isermann: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

1999

Asynchron-Normmotor, zusammengebaut und zerlegt. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München

246


Wegen ihrer einfachen Konstruktion spielt die Asynchronmaschine (ASM) in der

Antriebstechnik eine große Rolle.

Im Leistungsbereich bis etwa 1 kW findet sie vielfach im Haushaltsmaschinenbereich

Anwendung (z.B. Waschmaschine, Kühlschrank, Ölbrenner, Pumpen, Lüfter). Ein weiteres

verbreitetes Anwendungsgebiet sind Werkzeugmaschinenantriebe. Große ASM mit

Antriebsleistungen von 20 MW werden in Kraftwerken zum Antrieb von

Kesselspeisepumpen eingesetzt.

Zusammenfassend kennzeichnen die ASM folgende vorteilhafte Merkmale:

Vorteile

• einfacher, robuster Aufbau

• wartungsfrei, wenig Verschleißteile

• kostengünstige Herstellung

• im Leistungsbereich > 20 kW

gegenüber EC-Motor geringere

Systemkosten

Schrittmotoren

247

Nachteile

• aufwendige Maßnahmen zur

Drehzahlverstellung

• Servoeigenschaften nur in Verbindung

mit komplexer Steuerelektronik

• höheres Trägheitsmoment als

bürstenloser Motor

Schrittmotoren sind im Bereich kleiner Stellleistungen (< 500 W) eine kostengünstige

Alternative. Es existiert eine große Zahl von Motortypen, die in Verbindung mit integrierten

Ansteuerschaltungen den einfachen Aufbau von gesteuert betriebenen

Positioniereinrichtungen ermöglichen. Der gesteuert betriebene Schrittmotor ist allerdings in

seiner Anwendung begrenzt, da der zuverlässige Betrieb eine genaue Kenntnis der

Lastverhältnisse erfordert. Die Annahme, dass Lastwechsel, Losbrechkräfte oder

Vibrationen keinen Schrittfehler bewirken, ist nur bis zu einer bestimmten Last möglich.

Daher wird der Antrieb im allgemeinen entsprechend überdimensioniert. Wenn Schrittfehler

nicht toleriert werden können, muss ein Betrieb im geschlossenen Regelkreis erfolgen. Die

prinzipiellen Vorteile gegenüber anderen Motortypen sind damit aber verschwunden. Im

Vergleich zu anderen Motoren sollten grundsätzlich der niedrigere Wirkungsgrad als auch

die geringe Überlastbarkeit beachtet werden.

Vorteile

• direkte digitale Ansteuerung über

integrierte Schaltungen

• zuverlässig, wartungsfrei

• kostengünstiges Antriebskonzept

• gesteuerter Betrieb ohne Lagesensor

möglich

Schrittmotor mit Permanentrotor, vereinfacht

Nachteile

• Lastverhältnisse müssen bekannt

sein ⇒ Überdimensionierung

erforderlich

• relativ kleine Leistungsdichte

• im gesteuerten Betrieb Gefahr von

Schrittfehlern

• vergleichsweise geringe Stelldynamik


Stator

Rotor

• mS 2 Phasen

• pS 2 Polpaare (4 Wicklungen)

• pS 5 Polpaare

Quelle: Rolf Isermann: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

1999

Mechanische Stellelemente im physikalischen Experiment (Verschiebetische, Hubtische,

Drehtische), die im Mikro- bis Zentimeterbereich arbeiten, lassen sich relativ einfach mit

dafür passenden Minimotoren ausrüsten und somit ferngesteuert bedienen. Zwei Systeme

sind gebräuchlich: mit Inkrementalgebern gekoppelte Gleichstrommotoren und

Schrittmotoren. Für beide gibt es komfortable komplette kommerzielle Steuergeräte, gerade

aber bei Schrittmotoren ist es nahe liegend, die Steuerung direkt dem Rechner zu

übertragen. Beim Schrittmotor wird ein magnetisierter Anker von einem durch geeignete

Spulenströme erzeugten Drehfeld weitergedreht. Im Gegensatz zum Synchronmotor dreht

sich das Magnetfeld in diskreten Schritten und mit beliebiger, auch wechselnder,

Geschwindigkeit (bis zu einer durch die Bauart bedingten Höchstgeschwindigkeit). Die

Winkelauflösung ist primär durch die Polzahl festgelegt, Werte zwischen 10 und 1000 sind

gebräuchlich, bei Vollschrittbetrieb bedeutet das eine entsprechende Anzahl von Schritten

pro ganzer Umdrehung. Die typischen Betriebsarten von Schrittmotoren sind in den

248


folgenden Abbildungen skizziert. Zur einfacheren Darstellung des Prinzips ist die Polzahl

auf 4 reduziert.

Vollschrittbetrieb: Der Anker dreht sich bei einem Schritt zum nächsten Pol, im skizzierten Fall eines 4-Pol-

Motors entspricht dies einer Rotation um 90 ◦. Im rechten Teilbild der Verlauf der beiden Spulenströme für eine

volle Umdrehung (4 Schritte), die Spulen 1 und 1’ bzw. 2 und 2’ sind jeweils geeignet in Serie geschaltet (⇒

Zwei-Phasen- Motor, bipolare Betriebsart).

Halbschrittbetrieb: Der Anker dreht sich bei einem Halbschritt um einen halben Polabstand weiter (hier 45°).

Rechts der Stromverlauf (8 Halbschritte pro voller Umdrehung).

Mikroschrittbetrieb: Der Anker dreht sich bei jedem Mikroschritt um einen Bruchteil des Polabstands weiter

(hier 1/9 ˆ= 10°). Die Stromverläufe nähern sich Sinus- bzw. Cosinusfunktionen an. Mikroschrittbetrieb setzt

voraus, dass der Schrittmotor von seiner Bauform her dafür geeignet ist. Quelle: Elektronische

Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler, Universität Osnabrück

In den obigen Abbildungen wird angenommen, dass der Schrittmotor jeweils bipolar

betrieben wird. Der Spulenstrom nimmt positives und negatives Vorzeichen an. Dadurch

kommt man mit 2 Phasen aus, benötigt aber etwas aufwändigere Treiberendstufen als bei

unipolarer Betriebsart. Diese ist in folgender Abbildung schematisiert (dort für

Vollschrittbetrieb, Halbschrittbetrieb ist in ähnlicher Weise wie bei der bipolaren Betriebsart

möglich, grundsätzlich auch Mikroschrittbetrieb). Bei bipolarer Betriebsart werden

(mindestens) 3 Zustände der Treiberstufen benötigt (positiv, null, negativ), bei unipolarer

Betriebsart nur 2 (Strom, stromlos).

249


Unipolare Betriebsart: Bei dieser Betriebsart führen die vier dargestellten Spulen jeweils einzeln Strom. Rechts

der zeitliche Verlauf der 4 Spulenströme.

Treiberendstufen (schematisiert) für bipolaren (links) und unipolaren Betrieb (rechts) von Schrittmotoren. S1. . .

S4 sind die Steuereingänge. Quelle: Elektronische Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler, Universität Osnabrück

Rechnersteuerung: Für die Ansteuerung von Schrittmotoren durch den Rechner bieten

sich vier Varianten an: Intelligente Steuergeräte erhalten vom Rechner eine Zielvorgabe (n

Schritte vorwärts) und erledigen das dazu notwendige selbständig. Einfache Steuergeräte

erwarten vom Rechner Takt- und Richtungs-Impulse (meist TTLkompatibel) und generieren

nur die zugehörige Spulenstromabfolge. Jeder einzelne Motorschritt muss vom Rechner

veranlasst werden. Treiberstufen mit Darlington-Transistoren (als ICs mit 8fach Treibern

erhältlich) lassen sich über eine Parallel-Ein/Ausgabe-Karte oder über den Druckerausgang

des Rechners ansteuern. In diesem Fall muss das Steuerprogramm die Abfolge der Ströme

für die einzelnen Spulen (Abbildung 25) als Binärwerte erzeugen und sich den jeweiligen

Status merken. D/A-Wandler mit Stromverstärkern können verwendet werden, um einen

rechnergesteuerten Mikroschrittbetrieb zu realisieren.

Geschwindigkeit: Wichtig ist es, die spezifizierte Start-Stop-Geschwindigkeit

(bauartabhängig zwischen etwa 100 und 1000 Hz) nicht zu überschreiten, da nur dann eine

schrittgenaue Positionierung gewährleistet ist. Wenn größere Wege zurückzulegen sind,

kann – falls nötig – die Geschwindigkeit in einer definierten Beschleunigungsphase (mit

einer dazu korrespondierenden Bremsphase) bei fast allen Motoren auf das fünf- bis

zehnfache erhöht werden.

Stromabsenkung: Bei Voll- und Halbschrittbetrieb ist es sinnvoll, im Ruhezustand den

Spulenstrom auf einen niedrigeren Haltestrom abzusenken, die meisten Steuerungen

sehen einen solchen Betrieb vor (zusätzliche Steuerleitung). Dies führt zu einer deutlich

geringeren thermischen Belastung des Motors und vor allem auch der Umgebung.

Servos

Vor allem für Anwendungen in der Fernsteuerung (Modellbau, mechanisches Spielzeug,

Robotik) wurden kompakte Stellmotoren entwickelt, die mit einigermaßen standardisierten

Signalen angesteuert werden können. Diese sogenannten Servos können auch in

Experimenten überall dort eingesetzt werden, wo einfache Verstellaufgaben automatisiert

werden sollen (Blenden, Shutter, Klappspiegel). Servos bestehen aus kleinen

250


leistungsfähigen Motoren mit einem Untersetzungsgetriebe, über das eine Welle oder

Scheibe am Ausgang gedreht wird. Deren Winkelstellung wird mit einem Drehwiderstand

gemessen und dem Ansteuersignal entsprechend eingestellt (geregelt). Als

Winkelverstellbereich ist etwa eine halbe Umdrehung üblich. Das Ansteuersignal besteht

aus Impulsen mit einer festen Folgefrequenz (oft 50 Hz) und variabler Länge (z. B. 1. . . 2

ms). Die Pulslänge legt die Winkelposition innerhalb des Verstellbereichs fest (Abbildung

27). Das Steuersignal braucht nur kurzzeitig angelegt zu werden, der Servo behält danach

die vorgewählte Position bei.

Links ein typischer Servo aus dem Fernsteuerungsbereich. Rechts die Ansteuersignale (TTL-kompatibel

zwischen ≈0 V und > 3 V wechselnd) für die angegebenen Winkelpositionen. Quelle: Elektronische

Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler, Universität Osnabrück

251


Mikromechanische Aktoren - Aktoren in der Mikrosystemtechnik

Mikroaktoren werden benötigt, z.B. für

• Mikropumpen (Medikamentendosierung, ...)

• optische Systeme (Nachrichtenübertragung, ...)

• miniaturisierte analytische Geräte (Luftschadstoffmessung, ...)

• Datenspeicher (Schreib-/Leseköpfen, ...)

Quelle: Benecke, Universität Bremen

Mikromotoren

Elektromagnetischer Mikromotor (Reluktanzprinzip, Außendurchmesser 2 mm) a) Größenvergleich; b)

Darstellung der Komponenten: Rotor, Stator, Mikrokugellager, Hülse, Welle, Distanzring (Werkbild: Institut für

Mikrotechnik (IMM), Mainz) Quelle: D. J. Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren; http://www.unibwhamburg.de/EWEB/EMA/Bewegtbilder/Reluktanzmotor/reluktanzmotor.html

Konstruktive Elemente –g Beispiel: Mikroabformung

Silizium Urform [ Advanced Silicon Etching (ASE) ] > 100 Abformungen mit Hartmetallpulver

(WC-Co)

252


Abgeformte Strukturen aus WC/Co-gesintert 160µm

Höhe - Aspektverhältnis 8:1

Herstellung

253

Zahnrad (Fe-gesintert) Vergleich mit 0,5 Bleistiftmine

Die Herstellung erfolgt in staubfreien Räumen

(Reinraum) Außenluft: ca. 1 000 000 Partikel/cft;

Reinraum Klasse 1: ca. 1 Partikel/cft. Der Mensch

“erzeugt” beim Sitzen ohne Bewegung ca. 300 000

Partikel/Minute. Quelle: Benecke, Universität Bremen


Es werden nicht einzelne Sensoren sondern Wafer (=Platten mit 10-25 cm Durchmesser)

aus Silizium bearbeitet. Es werden viele, typ. 25 Stck., in einem Arbeitsgang bearbeitet

(Batch-Prozessierung). Es entstehen viele identische Bauteile während eines

Prozessdurchlaufes: große Stückzahlen + geringe Kosten/Bauteil Beispiel: Drucksensor

6000 Stück auf einem 150 mm Wafer.

Elektromagnet

Ausführungsformen von Elektromagneten als Stellglied. Topfmagnet = Solenoid; Gelb: Weicheisenkern (= (Dreh-

)Anker); Beim Drehankermagnet wird der drehbar gelagerte Weicheisenkern durch eine Biegefeder in

Mittelstellung gehalten. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München; [1]

Der Elektromagnet stellt für hochdynamische Positionieraufgaben bei niedrigen

Gegenkräften zurzeit das kostengünstigste Antriebskonzept ("Kurzhubelement") dar. Der

einfache Aufbau ermöglicht dabei in Verbindung mit der elektrischen Hilfsenergie die

254


Realisierung schneller Steuerstrecken (z.B. Einspritzsysteme). Bei kleinen Stellwegen

lassen sich mit den sog. Betätigungsmagneten hohe Zugspannungen bei einem kompakten

Bauvolumen bewerkstelligen. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei der Stellung

hydraulischer und pneumatischer Fluidströme erforderlich, wo der Magnet im Allgemeinen

kontinuierliche Stellbewegungen ausführen soll. Die prinzipbedingte, nichtlineare

Magnetkraft-Kennlinie muss dazu linearisiert werden, was üblicherweise durch eine

geeignete geometrische Formgebung des Magnetkreises erfolgt. Die

Sättigungserscheinungen der Magnetmaterialien begrenzen dabei die elektromagnetische

Kraftwirkung und damit den Stellbereich des Aktors auf 10 - 25 mm.

Vorteile

• einfacher, kompakter und

kostengünstiger Aufbau

• direkte Erzeugung von

Linearbewegungen

• sehr hohe Stelldynamik

Pneumatische Stellantriebe

255

Nachteile

• nichtlineares Verhalten

• geringe Leistungsdichte

• Reibung und magnetische Hysterese

• großer Ruhestrom

Pneumatische Stelleinrichtungen nutzen die physikalischen Eigenschaften der Druckluft.

Die hohe Kompressibilität und Energiespeicherfähigkeit, als auch die geringe Viskosität

dieses Übertragungsmediums ermöglichen den Aufbau leistungsfähiger und dynamisch

schneller Stellantriebe. Bei einem einfachen und robusten Aufbau (eine Zuleitung) sind

pneumatische Antriebe dazu geeignet, mittlere Stellkräfte von einigen kN aufbringen, wobei

gleichzeitig hohe Arbeitsgeschwindigkeiten und große Gesamtwege durchfahren werden

können. Neben diesen Eigenschaften zeichnen sie sich durch eine hohe Betriebssicherheit

bei extremen Umgebungsbedingungen (Temperatur-, Schmutzbeständigkeit,

Überlastungsfestigkeit, Explosionsschutz) aus. Die Störsicherheit gegenüber elektrischen

und magnetischen Feldern sowie Strahlungen ist gewährleistet. Die Umformung der

pneumatischen in mechanische Energie wird zum einen in Druckluftzylindern oder -

membranen zur Erzeugung translatorischer Bewegungen, zum anderen in Druckluftmotoren

zur Erzeugung rotatorischer Bewegungen durchgeführt.

Pneumatikzylinder. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München


Die mit hoher Präzision gefertigten Druckluftlamellenmotoren bestehen im wesentlichen aus Rotor mit

Rotorwelle, Gehäuse, Lagerdeckel, Lamellen, Wälzlager und Dichtring. Der Rotor ist auf die Rotorwelle

aufgeschrumpft. Die vier oder acht Lamellen sind frei beweglich in den mit hoher Genauigkeit gefertigten

Gleitschlitzen des Rotors geführt und stützen sich auf der gehonten Gehäusebohrung ab. Die

Lamellenanpressung während des Anfahrens und bei geringen Drehzahlen ist verschieden gelöst: Durch

Lamellenstützringe, Federn oder rückseitiger Druckbeaufschlagung. Bei höheren Drehzahlen unterstützt

zusätzlich die Fliehkraft die Lamellenabdichtung. In Abhängigkeit der Drehzahl, des Druckluftzustandes und des

Betriebsdruckes erreichen die Lamellen eine Lebensdauer von vielen tausend Betriebsstunden.Die Lamellen

stellen sich bei Verschleiß automatisch nach. Der Rotor ist bis zur Größe 8AM in Wälzlagern, die in den

Lagerdeckeln fixiert sind, schwimmend gelagert, während die Lagerung des 16AM-Druckluftmotors nach dem

Fest-Loslagerprinzip gelöst ist. Die zulässige axiale Belastung der Rotorwelle ist bei der schwimmenden

Lagerung durch den Wälzlagerpassungssitz vorgegeben und begrenzt. Um die Vorteile der schwimmenden

Lagerung nicht zu gefährden, ist eine axiale Belastung der Rotorwelle zu vermeiden. Die Zu- und

Abluftversorgung erfolgt über je ein Anschlussgewinde im Gehäuse. Durch Vertauschen von Ein- und Auslass

kann bei den umsteuerbaren Druckluftmotoren die Drehrichtung umgekehrt werden. Die Rotorwelle wird zur

Atmosphäre hin mit einem Dichtring abgedichtet. Um eine einwandfreie Funktion des Druckluftmotors zu

gewährleisten, muss die Druckluft dem Stand der Technik entsprechend gefiltert und geölt zur Verfügung

stehen. Bei ölfreiem Druckluftmotor ist eine Schmierung nicht erforderlich. Der Druckluftlamellenmotor arbeitet

nach dem Flügelzellenprinzip. Die für beide Drehrichtungen geeigneten Druckluftmotoren sind symmetrisch

aufgebaut. Über den Druckluftanschluss werden während der Rotation die Kammern nacheinander mit Druckluft

gefüllt. Durch den symmetrischen Aufbau ist das Kammervolumen bei Einlass-Schließen und Auslass-Öffnen

gleich groß. Die Druckenergie, dietheoretisch in mechanische Energie umgewandelt werden kann,berechnet sich

aus dem Differenzdruck (Luftdruck auf der Einlassseite minus Luftdruck auf der Auslassseite) mal

Kammervolumen. Schon geringe Druckabfälle auf der Zuluftseite oder Drosselstellen auf der Abluftseite

verringern Differenzdruck und Volumenstrom und damit Drehmoment, Drehzahl und Leistung. Durch die

polytrope Expansion der Druckluft auf der Auslassseite sinkt die Lufttemperatur. Bei zu starker Expansion kann

es zur Vereisung kommen. Das Startdrehmoment ist geringer als das Drehmoment nach dem Anlaufen.

Verantwortlich hierfür ist die Lage der Lamellen in Bezug auf die Einlassöffnung. Quelle: http://www.speckendrumag.com/html/share/pdfdrumag/Druckluftmotoren.pdf

Der Aufbau von schnellen als auch positioniergenauen Stelleinrichtungen ist mit

pneumatischen Aktoren durch reine Steuerung im Allgemeinen kaum zu erreichen.

Prinzipbedingte Eigenschaften wie die geringe und positionsabhängige Steifigkeit, eine

relativ große Kolben-Buchsenreibung sowie nichtlineare Eigenschaften der Servoventile

erfordern anspruchsvolle Regelungen. Im Zusammenhang mit dem Trend zur

Miniaturisierung der pneumatischen Komponenten und der steigenden

Mikrorechnerkompatibilität ist deshalb ein verstärkter Einsatz zu erwarten.

Vorteile

• großes Arbeitsvermögen

• großer thermischer Betriebsbereich

• günstiges Leistungsgewicht

• hohe Zuverlässigkeit und

Betriebssicherheit

• gutes Preis/Leistungsverhältnis

256

Nachteile

• Druckluftaufbereitung notwendig

• zum Teil große Abmessungen

• Reibung und Kompressibilität

erschweren Regelung

• Beschränkte Positioniergenauigkeit


Pneumatische Stellelemente, meist per Luftdruck betätigte Zylinder für die Bewegung

zwischen zwei Endlagen, gehören immer noch zu den weit verbreitetsten Aktoren im

Maschinenbau.

Der pneumatische Muskel eignet sich wegen seiner hohen Anfangskraft für Einsatzfelder mit großer Dynamik und

hoher Taktfrequenz. (Bild: Festo) Quelle:

http://www.elektroniknet.de/topics/automatisieren/fachthemen/2003/0007/index_c.htm

Ein neues pneumatisches Bauelement ist der pneumatische Muskel (siehe Bild), ein

Schlauch, dessen Länge über seinen Innendruck veränderbar ist. Die Innovation besteht in

der Kombination eines luftdichten, flexiblen Schlauchmaterials und einer Umspinnung mit

festen Fasern in Rautenform. Wird der Druck erhöht, so vergrößert sich der Umfang des

Schlauchs und er verkürzt sich, dabei begrenzt die Gitterstruktur die Verkürzung des

Schlauches bei steigendem Innendruck bis zum "neutralen Winkel" der Raute. Der

Ausdruck "pneumatischer Muskel" ist durchaus richtig gewählt, denn auch die Fibrillen eines

natürlichen Muskels können sich nur zusammenziehen und müssen durch eine äußere

Kraft wieder in die Ausgangsstellung gebracht werden. Die künstliche Variante kann sich

bis zu 25 % verkürzen (ein natürlicher Muskel schafft 30 bis 40 %), sie stellt die zehnfache

Kraft eines herkömmlichen pneumatischen Antriebs zur Verfügung. Wegen der geringen

künstlichen "Muskelmasse" lassen sich hochdynamische Systeme realisieren, die,

verglichen mit anderen pneumatischen Systemen, sehr schnelle Taktfrequenzen

ermöglichen.

Hydraulische Stellantriebe

Hydraulische Stelleinrichtungen werden bevorzugt dort eingesetzt, wo hohe Kräfte bzw.

Beschleunigungen bei gleichzeitig kleinem Bauraum verlangt sind. Da sie trotz großer

Kraftaufbringung nur geringe Eigenmassen bewegen, ist eine dynamisch schnelle

Positionierung möglich. Weitere Vorteile gegenüber pneumatischen Systemen sind die

hohe Steifigkeit und Stoßfestigkeit. Die Komponenten der hydraulisch mechanischen

Umformung sind Stellzylinder und Hydromotoren. Im Gegensatz zur Pneumatik, kommt hier

dem Rotationsmotor eine größere Bedeutung zu, da er große Antriebsmomente bei kleinen

Abmessungen (Leistungsdichteverhältnis Hydraulik-/Elektromotor ungefähr 10 bis 25) und

geringem Massenträgheitsmoment aufweist. Es ergeben sich dadurch sehr kleine

257


Zeitkonstanten und damit eine Möglichkeit der hochdynamischen Drehzahlstellung. Kleine

Drehzahlen lassen sich allerdings prinzipbedingt nur mit relativ ungleichförmigen

Drehbewegungen realisieren. Die Erzeugung translatorischer Bewegungen erfolgt in

hydraulischen Stellzylindern, die je nach Art der Kolbenlagerung, in Zylinder mit

reibungsarmen Berührungsdichtelementen und Zylindern mit hydrostatischer Lagerung

unterteilt sind. Ein Großteil der Anwendungen kann durch den Einsatz von Servozylindern

mit speziellen Berührungsdichtungen erfüllt werden. Voraussetzung dafür sind allerdings

sehr hohe Anforderungen an die Oberflächengüte von Zylinderrohr, Kolbenstange und -

führung.

Hydraulischer Stellzylinder. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München

Das dynamische Verhalten hydraulischer Stellantriebe ist vor allem durch die schwache

Dämpfung charakterisiert, die zudem vom Kolbenhub als auch von der Belastung abhängig

ist. In Verbindung mit modernen Regelungskonzepten können dennoch servohydraulische

Stellantriebe realisiert werden, die hohe Positioniergenauigkeiten bei einem guten

dynamischen Verhalten aufweisen.

Vorteile

• kleine Abmessungen

• hohe Dynamik undLeistungsdichte

• hohe Steifigkeit

• großes Arbeitsvermögen

Thermobimetalle

Quelle: D. J. Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren.

258

Nachteile

• ggf. hohe Systemkosten

• Zweileitungssystem

• ggf. Ölaufbereitung notwendig

• Reibung und komplexe Dynamik

erschweren Regelung

Thermobimetalle sind Schichtverbundwerkstoffe, die aus mindestens zwei Komponenten

mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Da sich bei

Erwärmung die eine Komponente stärker ausdehnt als die andere, entsteht eine

temperaturabhängige Krümmung des Thermobimetalls. Thermobimetalle sind seit mehr als

200 Jahren bekannt. Sie werden als einfache und preiswerte Bauelemente für

temperaturabhängige Steuer-, Mess- und Regelaufgaben eingesetzt. Das wichtigste

Kriterium für die Auswahl der Komponenten von Thermobimetallen ist die thermische

Dehnung. Bei Thermobimetallen wird die Komponente mit der kleineren Wärmeausdehnung

als passive Komponente und die Komponente mit der größeren Wäremausdehnung als die

aktive Komponente bezeichnet. Besonders hohe thermische Ausdehungskoeffizienten

zeigen Legierungen des Mangans mit Kupfer- und Nickelzusätzen, austenitstabilisierten

Eisen-Nickel-Legierungen mit Zusätzen an Mangan, Chrom und Molybdän sowie rostfreie


austenitische Chrom-Nickel-Stähle. Zu den Werkstoffen mit geringem

Ausdehungskoeffizienten zählt vor allem die Eisen-Nickel-Legierung mit 36% Nickel, die

unter dem Namen Invar bekannt ist. Desweiteren haben beispielsweise Eisen-Nickel-

Legierungen mit 42% und 46% Nickel sowie nichtrostende Stähle als passive Komponenten

in der Praxis große Bedeutung erlangt.

Als Kenngröße für die thermische Empfindlichkeit von Thermobimetallen gilt die sog.

spezifische thermische Krümmung k, die nach den Vorgaben gemäß DIN 1715 ermittelt

wird. Die spezifische thermische Krümmung k ist keine Konstante. Die

Temperaturabhängigkeit der Ausbiegung eines Streifens verläuft daher nicht streng

linear, sondern entsprechend einem polynomförmigen Kurvenzugs. Der Nennwert der

spezifischen thermischen Krümmung k gilt für den Temperaturbereich von 20 °C bis 130 °C.

Als Anwendungsgrenze wird diejenige Temperatur bezeichnet, bei der die Eigenschaften

des Thermobimetalls gerade noch nicht bleibend verändert werden. Diese Temperatur

entspricht der Rekristallisationstemperatur des Thermobimetalls bei langzeitiger

Beanspruchung und dem üblichen Kaltumformgrad von 20 bis 30 %. Die Vielzahl möglicher

Werkstoff-Kombinationen hat weltweit zu über 100 verschiedenen Thermobimetallen

geführt. Thermobimetalle werden u.a. in der Elektrotechnik, der Automobilindustrie und

der Heizungstechnik als einfache und preiswerte Bauelemente für temperaturabhängige

Steuer- und Regelaufgaben eingesetzt. Thermobimetall-Schnappscheiben finden

beispielsweise in einer Vielzahl von Geräten als thermische Auslöse oder Schaltelemente

im Bereich der Elektrotechnik und der Automobilindustrie Verwendung.

Die besonderen Eigenschaften von Thermobimetallen lassen sich wie folgt zusammenfassen.

• Vorgebbare lineare Temperatur-Stellweg-Abhängigkeit,

• Linearitätsbereich bis etwa 600 °C erzielbar,

• Anwendungsgrenze ca. 650 °C,

• Hohe Stabilität des Formänderungseffektes bis ca. 20 Millionen Zyklen.

Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys = SMA)

Formgedächtnislegierungen sind Werkstoffe die ihre ursprüngliche Form unter Einfluss von

Temperaturänderungen wieder herstellen. Wohl die erste der zu Beginn der 60er Jahre

gefundenen Legierungen mit Formgedächtnis (SMA – Shape Memory Alloy) war Nickel-

Titan, dessen Handelsname Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory) auf den

Arbeitgeber seines Entdeckers hinweist. William J. Buehler hatte dort die spezielle

Eigenschaft dieser Legierung durch Zufall im Forschungslabor der Navy gefunden. Ein aus

Nitinol hergestellter Draht oder Blechstreifen kann zwar verbogen – also plastisch verformt

– werden, nimmt aber durch Erwärmung wieder seine ursprüngliche Form an. Daneben gibt

es noch die Kupfer-Zink-Aluminium (CuZnAl)-Legierung.

259


Eigenschaften der beiden heute kommerziell erhältlichen SMAs Quelle: http://wwwags.informatik.unikl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf

- Vorlesung: Eingebettete Systeme, Bernd Schürmann, TU

Kaiserslautern

Memory-Metalle können zwei verschiedene Effekte aufweisen. Zum einen den „Einweg-

Effekt“ und zum anderen den „Zweiweg-Effekt“ der durch thermomechanische

Vorbehandlung einen reversiblen Betrieb ermöglichen kann. Das bedeutet, dass das

Bauelement im warmen und im kalten Zustand jeweils eine unterschiedliche, vorher

definierte Form einnehmen kann. Arbeit leistet es beim Aufwärmen. Eine

Temperaturänderung des Materials bewirkt bei beiden Effekten eine Austenit-Martensit-

Umwandlung (2 unterschiedliche Phasen, d.h. Kristallstrukturen der Legierung), die für die

geometrische Rückbildung verantwortlich ist. Das Anwendungsgebiet solcher SMA liegt

vorwiegend in der Luft- und Raumfahrttechnik.

260


Verhalten einer Gedächtnislegierung nach dem Einweg- (oben) und Zweiwegeffekt (unten): Breite der

Hysterese: obere Umwandlungstemperatur: 120°C, 10-30 K, max. Verformung: 5% bis 8%. AS bzw. AF: Austenit

Start bzw. Finish, MS bzw. MF: Martensit Start bzw. Finish Quelle: Heinz Nixdorf Institut, Universität-GH

Paderborn, Mechatronik und Dynamik, Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek; Quelle: D. J. Jendritza, Technischer

Einsatz neuer Aktoren, S. 348f

In der Medizintechnik hat das Material weite Verbreitung gefunden, chirurgische

Instrumente aus diesem Werkstoff sind biologisch "inert" und wegen ihrer besonderen

Eigenschaft zudem knicksicher.

Anwendungsbeispiele für SMA. Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-

04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung: Eingebettete Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

261


Beispielformen (links) und Anwendungsbeispiel (rechts): Mit einem elektronisch gesteuerten Bausatz für knapp

20 $, dem "Space Wings Kit", bei dem die Nickel-Titan-Drähte zwei Flügel in Bewegung setzen, demonstriert

Mondo-tronics die Einsatzmöglichkeiten von Nitinol (Nickel-Titanium Naval Ordnance Laboratory (Laborname, in

dem der Effekt an Nickel-Titan entdeckt wurde). Der "Space Wings Kit" ist 15 cm hoch und schlägt bis zu 36 Mal

pro Minute mit den "Flügeln". (Bild: Mondo-tronics) Quelle:

http://www.elektroniknet.de/topics/automatisieren/fachthemen/2003/0007/index_c.htm

Beispiel eines selbstangetriebenen Rades - Robotic wheels that just keep rolling

Quelle: New Scientist 19:00 30 June 04, Will Knight

A gaggle of miniature robots are falling over themselves in a Japanese lab. But they are not

malfunctioning: it is the way they have been designed to move.

The wheel-shaped robots, which are just 4 centimetres in diameter and 1 centimetre thick,

were built by Shinichi Hirai and Yuuta Sugiyama at Ritsumeikan University in Kusatsu. The

robots propel themselves along by continuously altering their shape.

The rim of the wheel is made of an elastic polymer, while the spokes are made of a smart

material known as a shape memory alloy, which becomes shorter when heated.

Shortening the spokes towards the front of the wheel changes its shape, causing the rim's

point of contact with the ground to move backwards, behind the centre of gravity. As the

wheel then tips forwards, other spokes are heated to deform the rim again and keep the

robot rolling along (see diagram).

Shape memory alloys store energy in the form of stresses in their crystalline structure.

Passing an electric current through the spokes heats them up, releasing this energy and

making them shorter. Allowing them to cool then returns the spokes to their original state.

262


Rolling robot

High jump: The rolling robots perform well on flat surfaces and can even scale 20-degree

slopes. By flattening itself as much as possible and then pinging back to a circular shape -

driven by the elasticity of the outer rim - a robot can leap 8 centimetres into the air. The

engineers say that by combining three wheels in a mutually perpendicular arrangement, it

should be possible to build a ball-shaped, steerable robot.

The electricity to power the robots is sent down lightweight copper wires. Eventually the

developers plan to build in a rechargeable battery.

Hirai and Sugiyama do not yet know what applications their idea might have, but Robert

Richardson, a robotics expert at the University of Manchester in the UK, thinks they have

potential as military scouts.

"They would be lightweight and difficult to damage, so I would imagine a good application

would be to drop them from a plane into remote areas," he says. The rolling rovers could

then perhaps be programmed to roll in a particular direction, bouncing over obstacles,

perhaps to deliver cameras to remote locations.

But Richardson warns that such rolling robots would be extremely difficult to control

accurately. "They would not be able to stop rolling quickly."

For now, the Japanese team is happy to have demonstrated deformability as a new form of

robot locomotion. Their main aim was to show that you do not need rigid bodied crawler

robots or wheeled vehicles to move over rough ground.

Vorteile der SMA Nachteile der SMA

große Formänderung Stabilität

hohe Energiedichte thermische Bereiche

gut konfigurierbar hoher Preis

263

Kühlung oder Beheizung notwendig


Unterschied Bi-Metall/Memorey-Metall. Quelle: D. J. Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren, S. 351

Elektrorheologische Flüssigkeiten (ERFs)

Elektrorheologische Flüssigkeiten oder Suspensionen verändern ihre Viskosität in einem

elektrischen Feld. Nichtpolare Trägerflüssigkeit mit geringer elektrischer Leitfähigkeit

(niedriger Permittivitätszahl εr: Leichte Öle, Silikonöle, Kohlenwasserstoffe), in die

polarisierbare Feststoffteilchen (1 µm - 100 µm) mit hoher Dielektrizitätszahl dispergiert sind

(Metalloxide, Kieselsäure-Anhydride oder Polymere mit in ihnen gelösten Metallionen zur

Anwendung). Ohne elektrisches Steuerfeld liegt die typische Viskosität dieser

elektrorheologischen Suspensionen im Bereich von einigen 100 mPa/s, bei hohen

elektrischen Feldern erstarrt die Suspension dagegen.

Unter Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes erfolgt eine Polarisierung der

suspendierten Teilchen mit dem Resultat, dass diese sich entsprechend dem induzierten

Dipolmoment innerhalb der Flüssigkeit entlang der Feldlinien ausrichten und zu mechanisch

264


elastbaren Ketten agglomerieren. Die hierdurch hervorgerufenen Strukturveränderungen

auf mikroskopischer Ebene stellen die Ursache für das veränderte rheologische Verhalten

der Flüssigkeit auf makroskopischer Ebene dar. Für hinreichende hohe Feldstärken und

Partikelkonzentrationen erstrecken sich die Ketten schließlich über den gesamten

Strömungsquerschnitt und die "Flüssigkeit'' erstarrt zu einem elastischen Körper, der bei

Schubspannungen unterhalb seiner Fließgrenze nur deformiert wird, aber nicht mehr

strömt.

Kettenbildung einer ERF beim Anlegen eines elektrischen Feldes (mehrere kV/mm). Quelle: http://www.tuharburg.de/mec/erf/Unterseiten/Besch.htm#Effekt

Änderung der Viskosität η bzw. der Schubspannung τ einer elektrorheologischen Flüssigkeit unter Einfluss eines

elektrischen Feldes E. Quelle: Urban, Freiburg

265


Grundprinzipien von ERF/MRF-Energiewandlern. Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-

04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung: Eingebettete Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

• Im Allgemeinen nimmt der Fließwiderstand mit wachsender elektr. Feldstärke zu.

• Der Effekt tritt bei Gleich- und Wechselfeldern auf.

• Die Reaktionszeit beträgt wenige Millisekunden

• Νach Abschalten des Feldes kehren die ursprünglichen Eigenschaften zurück

• Größenordnung: - heutige Steuerfeldstärken: einige kV/mm

• Scherungsspalt: 0,5 mm ... 2 mm

Anwendungen: Kupplungen, Getriebe, Ventile, Stoßdämpfer, rotierende Bremsscheibe …

Hochspannung an Kupplungsscheiben über Schleifringe, Kraftschluss über ERF, übertragenes Drehmoment und

Übersetzungsverhältnis der Kupplung durch elektrisches Feld steuerbar; Einschränkung: durch Basisviskosität

auch ohne elektr. Feld; Mindestmoment (kein vollständiges Abkoppeln) Quelle: http://wwwags.informatik.unikl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf

- Vorlesung: Eingebettete Systeme, Bernd Schürmann, TU

Kaiserslautern

266


Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRFs)

Quelle: Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren, S. 108ff

Wie die elektrorheologischen Flüssigkeiten reagieren magnetorheologische Flüssigkeiten

mit einer Änderung ihrer Viskosität, hier allerdings nicht auf das Anlegen eines äußeren

elektrischen sondern eines magnetischen Feldes. Magnetorheologische Flüssigkeiten

(MRF) sind stabile Suspensionen sehr feiner ferromagnetischer Partikel in einem

isolierenden Trägermedium. Zur Verhinderung der Koagulation der Partikel sind diese mit

einem Stabilisator beschichtet. MRF besitzen durch magnetische Felder steuerbare

rheologische Eigenschaften.

Ohne Feldeinwirkung sind MRF stets flüssig. Unter Feldeinfluss können sie bei

Nichtüberschreitung der feldstärkeabhängigen Grenzscherspannung als Festkörper

betrachtet werden. Im flüssigen Zustand lässt sich die übertragene Schubspannung durch

Größe und Richtung eines magnetischen Feldes beeinflussen. Für die Erhöhung der

scheinbaren Viskosität ist die Ausbildung von verzweigten Ketten der Feststoffpartikel

verantwortlich. Sie werden durch magnetische Wechselwirkungskräfte zwischen den

Partikeln zusammengehalten. Eine Scherung des Fluides bewirkt zuerst eine Dehnung und

bei höheren Schubspannungen den Abriss der Ketten. Da sich die Kettenbruchstücke aber

weiterhin entlang der magnetischen Feldlinien ausrichten, setzen sie der

Schergeschwindigkeit des Fluides einen erheblichen Widerstand entgegen. Ein weiterer

Beitrag zur erhöhten Schubspannung im flüssigen MRF-Zustand resultiert aus der

ständigen Rekombination von Kettenbruchstücken.

Quelle: http://www.donnerflug.de/diss/Diss_no_print.pdf

Einstellung der Stoßdämpfereigenschaften über magnetorheologische Flüssigkeiten. Quelle: http://wwwm2.ma.tum.de/Drittmittel/DFG/SFB-438/C4/Bericht_1999/node8.html

Dilatante Flüssigkeiten

Dilatante Flüssigkeiten zeigen einen reversiblen Sprung der Viskosität bei einer kritischen

Schergeschwindigkeit. Anwendungsmöglichkeit: Differenzialgetriebe zur Verhinderung des

Durchdrehen eines Autorades.

Quelle: http://www.elektroniknet.de/topics/automatisieren/fachthemen/2003/0007/index.htm

267


Dehnstoffelemente

Dehnstoffelemente bestehen aus einem druckfesten Behälter, in dem sich eine

Dehnstoffüllung (Wachs) befindet, die bei Erwärmung schmilzt. Die dabei entstehende

Volumenzunahme wird auf einen Arbeitskolben übertragen und zur Arbeitsleistung genutzt.

Bei Abkühlung wird die Kolbenrückführung durch eine äußere Rückstellfeder bewirkt [2.1,

2.8]. Dehnstoffelemente für Proportionalregelung zeigen im Regelbereich eine lineare

Temperatur-Hub-Kennlinie mit geringen Hystereseverlusten (z. B. einige Kelvin). Je nach

Elementart wird der Hub im Regelbereich entweder in einem engen Temperaturintervall, z.

B. 15 K, durchfahren oder er wird über einen größeren Temperaturbereich von

beispielsweise ca. 150 K zurückgelegt. Im letzteren Fall liegt ein geringer Hub

proTemperatureinheit vor. Neben dem Hub im Regelbereich ist noch ein bestimmter

Überhub zulässig, wenn die Temperatur über den Regelbereich hinausgeht. Den möglichen

Aufbau eines Dehnstoffelementes zeigt folgendes Bild.

Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung: Eingebettete

Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

268


Möglicher mechanischer Aufbau eines Dehnstoffelementes. a) Ausführung mit Membran b) Ausführung mit

Elastomereinsatz c) Produktbeispiele (nach [2.8], Werkbild: BEHR GmbH, Stuttgart). Quelle: D. J. Jendritza,

Technischer Einsatz neuer Aktoren

Neben der erwähnten Proportionalregelung kann je nach Elementtyp und Anwendung

auch eine lineare Temperatur-Hub-Kennlinie erzeugt werden, wobei der überwiegende Teil

des Hubes in einem engen Temperaturbereich von beispielsweise 1 bis 2 K nahezu

sprungartig erfolgt. Auch bei dieser Kennlinie liegt eine Hysterese vor.

Die Einsatzmöglichkeiten von Dehnstoffelementen erstrecken sich über einen

Temperaturbereich von etwa -40 °C bis +180 °C. Die Temperatur für den Beginn der

Hubentfaltung wird durch die verwendete Dehnstoffüllung vorgegeben. Je nach Bauart und

-größe können der Hub und die maximale zulässige Belastung in weiten Bereichen variiert

werden. Die äußeren Rückstellkräfte für die Kolbenrückführung betragen in der Regel ca.

20 bis 30 % der maximal zulässigen Belastung. Als Beispiele für Abmessungen und

Arbeitsvermögen von Dehnstoffelementen sind ausgewählte Daten in Tabelle 2.2

aufgeführt.

Während sich Shape-Memory-Elemente (Kapitel 13) und Thermobimetalle auch direkt

durch hindurchfließenden elektrischen Strom erwärmen lassen, können

Dehnstoffelemente nur durch das Umgebungsmedium erwärmt werden. Die Arbeitsweise

der Dehnstoffelemente ist naturgemäß mit einer erhöhten Trägheit verknüpft. Da der

Dehnstoff im erwärmten Zustand flüssig ist, kann ein Ausfließen der Füllung infolge

Undichtheit nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden. Die wichtigsten Anwendungen von

Dehnstoffelementen liegen im Bereich der Regelelemente für Kühl- und Ölkreisläufe von

(Kfz-)Motoren sowie für Heizungsventile.

Piezoelektrische Stapelaktoren

Piezoelektrische Wandler besitzen die Fähigkeit sowohl mechanische in elektrische, als

auch elektrische in mechanische Größen umzuformen. Diese bidirektionale

Wandlungsfähigkeit lässt sich unter anderem für Stellaufgaben nutzen. Die technische

Nutzung des Effektes ist dabei nur über den Einsatz geeigneter Piezokeramiken möglich. In

269


Verbindung mit elektrischen Feldern im kV/m- Bereich lassen sich dann Längenänderungen

im µm-Bereich erzielen. Die Stellbewegung ist dabei über die anliegende Spannung

steuerbar. Ihre Ausführung erfolgt in wenigen µs mit der Möglichkeit hohe Gegenkräfte zu

überwinden. Grundsätzlich neue Antriebslösungen sind Wanderwellenmotoren. Diese

nutzen die piezoelektrische Längendehnung indirekt zur Erzeugung von Translations- bzw.

Rotationsbewegungen.

Prinzip und Aufbau eines Piezoaktors. Quelle: Prof. Dr. W. Höger, Mechatronik, FH München

Die Anwendung piezoelektrischer Aktoren sollte unter besonderer Berücksichtigung der

thermischen und mechanischen Einsatzbedingungen erfolgen. Die Keramikmasse ist in

ihrer Grundform ein sehr dünner, brüchiger Werkstoff, der temperatur- und

alterungsabhängige Eigenschaften aufweist. Extreme Beanspruchungen führen daher leicht

zu Depolarisationserscheinungen des Materials und damit zu einer Abschwächung des

piezoelektrischen Effekts. Außerdem muss beachtet werden, dass thermisch bedingte

Längenänderungen bereits in der Größenordnung des Aktorstellbereiches liegen können.

Vorteile

• große Stellkräfte bei sehr hoher

Stelldynamik

• im statischen Betrieb geringe

elektrische Leistungsaufnahme

• gute Verfügbarkeit der

Keramikmaterialien

• hohe Leistungsdichte

• praktisch kein Verschleiß

270

Nachteile

• nur sehr kleine Stellbereiche

• starke Erwärmung bei hohen

Schaltfrequenzen

• temperatur- und alterungsabhängige

Materialeigenschaften

• ggf. Hochspannungsnetzteil zur

Ansteuerung notwendig

• Hysterese


Bauformen. Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung:

Eingebettete Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

271


Quelle: H. Janocha: Aktoren. Grundlagen und Anwendungen, Springer-Verlag Berlin 1992, S. 264 – 266

Typische Einsatzgebiete der piezoelektrischen Kristalle sind die mechanische

Positionierung z.B. beim Rastertunnelmikroskop, die Formveränderung in adaptiven

Strukturen oder die Ventilsteuerung in Dieselmotoren. Industriell eingesetzt werden die

Piezo-Aktoren in Dieselmotoren mittlerweile im großen Stil: Die Siemens VDO Automotive

AG berichtete auf der Bremer Messe "Aktuator" im Juni 2002, dass in rund 200 000

Motoren der Firmen Peugeot und Ford Einspritzsysteme mit Siemens-Piezo-Elementen

arbeiten. Vorteile bieten die Piezo-Injektoren durch ihre kurzen Reaktionszeiten: Der

Kraftstoff wird in bis zu sieben Portionen von jeweils 1,5 mm 3 eingespritzt, im Gegensatz

zum "Common Rail"-Verfahren, das global mit Drücken bis zu 0,16 MPa (1600 bar) arbeitet.

Der Verbrennungsvorgang lässt sich auf diese Weise präziser steuern und es lassen sich

nicht nur die Verbrauchswerte reduzieren, sondern auch mit einem Hitzestoß die Dieselruß-

Partikel verbrennen. Siemens VDO setzt als Piezokristalle Blei-Zink-Titan-Keramiken ein,

die in mehr als 100 Lagen bis zu einer Länge von 30 mm übereinander gestapelt werden;

der Hubweg beträgt dann 0,4 mm.

Piezoelektrische Aktoren für die aktive Schwingungsdämpfung finden ihre Anwendung

heute u.a. in Flugzeugen und Helikoptern. Das Prinzip besteht darin, dass ein Piezokristall

durch einen elektronischen Verstärker zum Schwingen angeregt wird; dabei erzeugt der

Kristall in enger Kopplung mit der Masse der zu dämpfenden Konstruktion einen definierten

zeitlichen Kraftverlauf. Bei gegenphasiger Einleitung dieser Kraft können störende

Vibrationen neutralisiert oder vermindert werden (Unterdrückung hochfrequenter

mechanischer Vibrationen bei Maschinen). Diese Technik eignet sich besonders gut bei

Motoren und Antriebsaggregaten, bei denen mit konstanter Drehzahl gearbeitet wird.

Quelle: http://www.elektroniknet.de/topics/automatisieren/fachthemen/2003/0007/index_b.htm

272


Auswahl einiger wichtiger Einsatzgebiete für Piezoaktoren. Quelle: Jendritza, Technischer Einsatz neuer

Aktoren, S.148

The NDEAA's piezoelectric peristaltic pump

Quelle: Dr. Yoseph Bar-Cohen and Dr. Zensheu Chang, JPL, Section 354, NASA Webpage

273


There is a range of NASA experiments, instruments and applications where miniature

pumps are needed. To address such needs, a piezoelectrically actuated miniature pump is

being developed under a NASA Code S PIDDP task. This pump employs a novel volume

displacing mechanism using flexural traveling waves that acts peristaltically and eliminates

the need for valves or physically moving parts. This pump is being developed for planetary

instruments and space applications. Finite element model was developed using ANSYS for

the purpose of prediction of the resonance frequency of the vibrating mode for the

piezopump driving stator. The model is used to determine simultaneously the mode shapes

that are associated with the various resonance frequencies. This capability is essential for

designing the pump size and geometry. To predict and optimize the pump efficiency that is

determined by the volume of pumping chambers the model was modified to perform

harmonic analysis. Current capability allows for the determination of the effect of such

design parameters as pump geometry, construction materials and operating modes on the

volume of the chambers that are formed between the peaks and valleys of the waves.

Experiments were made using a breadboard of the pump and showed water-pumping rate

of about 3.0 cc/min. The pump is continually being modified to enhance the performance

and efficiency.

Magnetostriktive Aktoren

Verschiedene ferromagnetische Werkstoffe erfahren unter der Wirkung äußerer

Magnetfelder eine Veränderung der Atomabstände. Der wichtigste Anteil der

Magnetostriktion ist der 1842 entdeckte Joule- Effekt. Er basiert darauf, dass die

sogenannten Weissschen Bezirke sich in die Magnetisierungsrichtung drehen und ihre

Grenzen verschieben. Hierdurch erfolgt eine Formänderung des ferromagnetischen

Körpers, wobei sein Volumen konstant bleibt. Mit steuerbaren magnetischen Feldstärken

lassen sich dadurch Längenänderungen erzeugen (magnetostriktiver Effekt) die bei

hochmagnetostriktiven Metalllegierungen 1 - 2 mm pro Meter Materiallänge betragen. Die

erzielbaren Stellkräfte sind höher als bei vergleichbaren Piezoaktoren und liegen bei

ungefähr 500 N/mm Materialstärke. Magnetostriktive Aktoren befinden sich noch im

Entwicklungsstadium. Die Verfügbarkeit der Metalllegierungen ist stark begrenzt und der

Werkstoffpreis entsprechend hoch.

Der magnetostriktive Effekt, der bei Legierungen mit den Bestandteilen Eisen, Nickel oder

Kobalt Dehnungen im Bereich von 10 bis 30 µm/m verursacht, erreicht in

hochmagnetostriktiven Werkstoffen aus Seltenerdmetall-Eisen-Legierungen Werte bis zu

2000 µm/m. Ab Anfang der sechziger Jahre wurden in den USA hochmagnetostriktive

Werkstoffe für den Einsatz in Unterwassersonaren entwickelt. Das dort später gefundene

Material, Terfenol-D, hat eine vielfach höhere Energiedichte als piezoelektrische

Werkstoffe. Terfenol-D ist der Name für die Verbindung Tb0,3Dy0,7Fe2. Die beiden ersten

274


Silben stehen für Terbium und für Ferrum, die dritte erinnert an den Ort der Werkstoff-

Entwicklung: Naval Ordnance Laboratory. Das D sagt aus, dass zur Minimierung der

Anisotropieenergie das Element Dysprosium benutzt wird.

Quelle: http://www.lpa.uni-saarland.de/pdf/EMSA_2000_deutsch.pdf

Die wichtigste technische Ausführung sind magnetostriktive Linearaktoren, die hochpräzise

Stellbewegungen über einen maximalen Stellbereich von 50 - 200 µm verrichten und dabei

Stellkräfte bis zu 20 kN aufbringen. Der Feldaufbau kann z.B. über eine leistungsfähige

Stromsteuerung erfolgen.

Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung: Eingebettete

Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

Vorteile

• große Stellkräfte

• sehr hohe Stelldynamik bzw.

Schaltfrequenz

• großer thermischer Einsatzbereich

• robuster Aufbau

• praktisch kein Verschleiß

275

Nachteile

• teure und schlecht verfügbare

Werkstoffe

• Hysterese

• elektrische Leistungsaufnahme im

statischen Betrieb

• ggf. voluminöser Aufbau

• starke Erwärmung bei hohen

Schaltfrequenzen


Elektrochemische Aktoren

Elektrochemische Aktoren (ECA) nutzen z.B. den Druckaufbau bei der Abgabe von Gasen

wie Wasserstoff, chemomechanische Aktoren (CMA) basieren auf Volumenänderungen bei

kontinuierlich oder sprunghaft ablaufende Phasenübergängen.

276


Quelle: http://wwwags.informatik.uni-kl.de/lehre/ws03-04/ES/Folien.dir/Aktuatoren.pdf - Vorlesung: Eingebettete

Systeme, Bernd Schürmann, TU Kaiserslautern

277


Bauformen der ECA: elektrisch steuerbare Druckquelle bzw. –senke; Dehnung eines metallenen und gasdichten

Faltenbalgs, in dem durch den elektrochemischen Prozess Gas erzeugt oder rekombiniert wird. Das Gas als

Arbeitsmedium leistet eine Volumenarbneit gegen die auf den Faltenbalg wirkende äußere Kraft. Linke Tabelle:

Eigenschaften solcher Faltenbalge. Quelle: Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren, S. 383ff.

Leitfähige Polymere – Electroactive/Electroconductive Polymers

Leitfähige Polymere, eine Klasse von Polymeren, die vor allem in der Sensortechnik zum

Einsatz kommt, werden erst seit relativ kurzer Zeit auf ihre Eignung als Aktoren untersucht.

Es hat sich dabei gezeigt, daß vor allem p-elektron-konjugierte Polymere, so z. B.

Polypyrroll und Polyanilin außerordentlich große Kräfte, etwa das Hundertfache derer

biologischer Muskeln vergleichbaren Querschnitts, aufbringen können. Dabei erreichen

leitfähige Polymere bei Anregung durch ein elektrisches Feld jedoch deutlich geringere

Verformungen (1...10%) als polyelektrolyte Gele, wenn auch bedeutend größere

Verformungen als piezoelektrische oder elektrostriktive Wandler.

Polypyrrol: Eigenschaften und Struktur.

278


Beispiele für weitere leitfähige Polymere. Quelle: Jendritza, Technischer Einsatz neuer Aktoren, S. 398ff.

Electroactive polymers (EAP) are being developed to enable effective, miniature,

inexpensive, light and miser actuators for planetary applications. Various EAP materials,

also called artificial muscles, are being investigated and new methods of characterizing

them are being developed. A series of applications were demonstrated and can be seen on

the EAP-in-Action homepage (video clippings). These applications include surface wiper,

robotic arm components (lifter and gripper) and haptic interface. The surface wiper was

demonstrated to be effective in removing minute dust particles and it was selected in 1999

as a baseline technology for the MUSES-CN mission. Initial plans involved the use of a pair

of EAP surface wipers for dust removal from the visual/IR window of the Nanorover. The

material that was used for bending the surface wiper is known as IPMC (Ion-exchange

Polymer Metal Composite)

Robotic arm with 4-finger EAP gripper that is

lifted/dropped by an EAP actuator. The EAP robotic arm

with the 4-finger gripper (shown above) was constructed

by the graduate students: Cinkiat Abidin, Brian Lucky,

Harry Mashhoud and Marlene Turner, under the

guidance of Dr. Bar-Cohen. This robotic arm was

constructed in FY'97 as the students' research project

meeting the academic requirements at the Integrated

Manufacturing Engineering (IME) Dep

279

Dust wiper using an ESLI blade actuated by a

bending-EAP Li+/Gold IPMC (courtacy of Dr. Oguro,

ONRI)


Quelle: NASA webpage

Electroactive Polymers as Artificial Muscles

For many, the idea of a human with bionic muscles immediately conjures up images of

science fiction — a superhuman character in a TV series. With bionic muscles, the hero is

portrayed with strength and speed far superior to any normal human. As fantastic as that

idea may seem, recent developments in electroactive polymers (EAP) may one day make

such bionics possible.

Meanwhile, as this technology evolves, novel mechanisms that are biologically inspired are

expected to emerge. EAP materials can potentially provide actuation with lifelike response

and more flexible configurations. And while further improvements in power and robustness

will be necessary, there have been already several reported successes. This lecture will

provide an overview of current developments, and discuss future possibilities for EAP

technology.

Quelle: http://www.jpl.nasa.gov/events/lectures/feb02.html

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