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1 SENSORTECHNIK 1 14 f OUT 2 DRIVER k + 5 V CURRENT-TO- FREQUENCY- CONVERTER pf ,74 k 6,04 k 2 k 6 7 PRECISION VOLTAGE SOURCE 9 8 Sensortechnik 1
2 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.1 Einleitung und Definitionen 1.2 Physikalische Effekte in der Sensortechnik Piezoelektrischer Effekt Resistiver und piezoresistiver Effekt Magnetoresistiver Effekt Magnetostriktiver Effekt Effekte der Induktion Effekte der Kapazität Gauß-Effekt Hall-Effekt Wirbelstrom-Effekt Thermoelektrischer Effekt Thermowiderstands-Effekt Temperatureffekte bei Halbleitern Pyroelektrischer Effekt Fotoelektrischer Effekt Elektrooptischer Effekt Elektrochemische Effekte Chemische Effekte Akustische Effekte Optische Effekte Doppler-Effekt 1.3 Messgrößen Geometrische Größen Mechanische Größen Zeitbasierte Größen Temperatur Elektrische Größen Magnetische Größen Radiometrische Größen Fotometrische Größen Akustische Größen Klimatische und meteorologische Größen Chemische Größen 1.4 Einheiten und Naturkonstanten Das SI-System Darstellung der Größe SI-System und Naturkonstanten Überblick und Umrechnungen Sensortechnik 2
3 2 Sensorsignalverarbeitung 2.1 Einführung 2.2 Sensorschaltungen mit Operationsverstärker 2.3 Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale 2.4 Anwendungsbeispiele Zweidraht Spannung/Strom Messumformer Temperatur-Frequenz-Umsetzer mit einem VFC 2.5 Linearisierung Analoge Linearisierung Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen Linearisierung mit Operationsverstärker Digitale Linearisierung 2.6 Umsetzer Digital/Analog-Umsetzer Analog/Digitale-Umsetzer Sensortechnik 3
4 3 Ausgewählte Sensoren 3.1 Weg- und Abstandsmessung Resistiv, kapazitiv und induktiv SoftPot Ultraschall Infrarot Koordinatenmessgerät 3.2 Sensoren für mechanische Größen Kraftsensor DMS Vibrationssensor Flexsensor 3.3 Temperatursensoren NTC SHT Sensoren für zeitbasierte Größen 3.5 Fotometrische Sensoren Fotowiderstand Fotodiode und -transistor PIR 3.6 Akustische Sensoren Mikrofon Ultrasonic 3.7 Sensoren für klimatische Größen Luftdruck Luftfeuchte Kompass 3.8 Sonstige Sensoren Kapazitiver Sensor Reed-Schalter Beschleunigungssensor Drehraten (Giro) Realtime Clock (RTC) Sensortechnik 4
5 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.1 Einleitung und Definitionen Sensortechnik 5
6 Sinnesorgane des Menschen 1. Klassisch: Sehen Hören Riechen Schmecken Tasten Sensortechnik 6
7 Sinnesorgane des Menschen 2. Erweitert: Wahrnehmung von Bewegung Gleichgewichtssinn Temperaturempfinden Schmerzempfinden Sensortechnik 7
8 Eine externe physikalische Größe in ein für uns verständliches Format umwandeln Für technische Geräte gilt das ebenso! Sensortechnik 8
9 Beispiel: Smartphone Position Beschleunigung Drehung Berührung Bewegung Akustik Optik Zeit. Sensortechnik 9
10 Informationsraum Physikalischer Raum Sensor Signalraum Sensortechnik 10
11 Nichtelektrische Eingangsgröße Elektrisches Signal Sensor- Ausgangssignal Sensorelement Elektronik Störgrößen Störgrößen Sensortechnik 11
12 Smart Sensor HE X Y1 Y2 Y3 S SC DV M Y X: Messgröße Y: Ausgangssignal S: Sensor SC: Signal Converter DV: Datenverarbeitung M: Monitor HE: Hilfsenergie Y1..Y3: Messsignale Sensortechnik 12
13 Definition: Der Sensor ist ein technisches Bauteil, das physikalische oder chemische Eigenschaften oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung erfassen kann. Diese Größen werden unter Nutzung physikalischer oder chemischer Effekte gemessen und in der Regel in elektrische Signale umgeformt. Sensortechnik 13
14 Ableitung aus dem lateinischen Wort sentire. Norm für die Messtechnik (DIN : Grundlagen der Messtechnik). Messgrößenaufnehmer Aufnehmer Teil eines Messgerätes oder einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Der Aufnehmer ist das erste Element einer Messkette. Sensortechnik 14
15 DIN Messgerät: (measuring instrument) Ein Gerät, das allein oder in Verbindung mit anderen Einrichtungen für die Messung einer Messgröße vorgesehen ist. Unter Messgröße versteht man dabei die physikalische Größe, der die Messung gilt. Bei dem Einsatz eines Multimeters oder eines Oszilloskop wird das gemessene Ergebnis auch von dem Messgerät selbst angezeigt. Messeinrichtung: (measuring system) Unter einer Messeinrichtung versteht man die Gesamtheit aller Messgeräte zur Erzielung eines Messergebnisses. Hier ist der englische Begriff measuring system selbsterklärend. Handelt es sich um eine Kombination von mehreren Sensoren und nicht von Messgeräten, so spricht man in der Regel von einem Multisensorsystem. Sensortechnik 15
16 DIN Messkette: Unterteilt man nun die einzelnen Elemente eines Sensors oder eines Messgerätes, die den Weg des Messsignals von der Aufnahme der Messgröße bis zur Bereitstellung der Ausgabe bilden, so spricht man von der Messkette. Sensortechnik 16
17 Klassifizierung nach Messprinzip: Widerstandssensoren, induktive Sensoren, Magnetfeldsensoren, kapazitive Sensoren, piezoelektrische Sensoren, optoelektronische Sensoren, Temperatursensoren,. Messgröße: Abstand, Beschleunigung, Dehnung, Drehmoment, Drehzahl, Durchfluss, Druck, Farbe, Feuchte, Füllstand, Gas, Geschwindigkeit, Gewicht, Kraft, Lage, Licht, Magnetfeld, Schall, Strahlung, Temperatur, Winkel,. Sensortechnik 17
18 Kenngrößen: Auflösung (resolution): Die kleinstmögliche Veränderung der zu messenden Größe, die noch eine Änderung des Ausgangssignals bewirkt. Linearität (linearity): Maß für die Abweichung der Kennlinie (grafische Darstellung des Verlaufs der Ausgangsgröße als Funktion der Messgröße) von einer Geraden. Sensortechnik 18
19 Ansprechzeit (response time): Die Zeit, die nach einer sprunghaften Änderung der zu messenden Größe vergeht, bis das Ausgangssignal den entsprechenden neuen Wert erreicht hat. Wiederholgenauigkeit (repetition accuracy, reproducibility): Differenz von aufeinanderfolgenden Messwerten bei unveränderter Messgröße über einen bestimmten Zeitraum bei gleichbleibenden Umgebungsbedingungen. Sensortechnik 19
20 Ausfallwahrscheinlichkeit: Steuern Sensoren beispielsweise den Ablauf einer Produktionsanlage, so kann ein Defekt an einem Sensor dazu führen, dass die gesamte Produktion angehalten werden muss, bis dieser Fehler beseitigt ist. In einem solchen Falle entstehen zusätzliche Kosten, die die Kosten eines Sensors um viele Größenordnungen übersteigen können. Vor diesem Hintergrund kommt der Zuverlässigkeit eines Sensors eine herausragende Bedeutung zu. Angegeben wird diese in der Regel über die MBTF (mean time between failure). Da sich die Gesamtverfügbarkeit der Anlage über Wahrscheinlichkeitsberechnungen aus den Zuverlässigkeiten der einzelnen Systemkomponenten ergibt, kann diese durch einen unzuverlässigen Sensor stark negativ beeinträchtigt werden. Dies ist ein Grund dafür, dass man die Anzahl von (ausfallgefährdeten) Komponenten möglichst gering hält. Sensortechnik 20
21 Störempfindlichkeit: Da Sensoren Informationen über die Umgebung aufnehmen, sind sie auch stets potentiell gefährdet, durch Fremdeinflüsse beeinträchtigt zu werden. Häufige Ursachen sind elektromagnetische Einstrahlungen (EMV) aber auch prinzipbedingte Störungen, wie beispielsweise Fremdlicht durch direkte Sonneneinstrahlung bei optischen Sensoren oder Verschmutzung von optischen Sensoren. Sensortechnik 21
22 Langzeitstabilität: Bei bestimmten Messprinzipien kann sich aus physikalischen Gründen eine Veränderung der Sensoreigenschaften über einen längeren Zeitraum ergeben. Dies wird als Drift bezeichnet. Beispielsweise ist es erforderlich, einen Drehratensensor, wie er bei einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren. Hier verändert sich der Messwert prinzipbedingt über die Zeit, so dass die Sensorinformation auf eine Lageveränderung schließen lässt, obwohl das Fahrzeug still steht. Wenn die Langzeitstabilität eines Sensors nicht gegeben ist, muss entweder durch eine automatische Kalibrierung oder durch ein in der Betriebsanleitung festgelegtes manuelles Verfahren wieder der gewünschte Zustand hergestellt werden. Sensortechnik 22
23 Auswahlkriterien: Vorgehensweise: 1. Anforderungsanalyse 2. Vorauswahl von Messprinzipien 3. Mögliche Sensoren 4. Vergleichstabelle 5. Bewertung und Auswahl Sensortechnik 23
24 Anforderungsliste: Material des Messobjektes Geometrie des Messobjektes und Art der Erfassung (punktförmig, linienförmig, flächig, volumetrisch) Robustheit gegen zu erwartende Störeinflüsse (Verschmutzung, EMV bei Elektro- Schweißvorgängen) Messdistanz Auflösung Wiederholgenauigkeit Linearität Ansprechzeit Zuverlässigkeit Einsatztemperatur Möglichkeit der Kalibrierung Schutzart (IP-Klasse, z.b. IP67 staubdicht und geschützt gegen zeitweiliges Untertauchen in Wasser) Zulassung bei Spezialanwendungen (Reinraum, Explosionsschutz, Sicherheit für Personenschutz) Sensortechnik 24
25 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.2 Physikalische Effekte in der Sensortechnik Piezoelektrischer Effekt Resistiver und piezoresistiver Effekt Magnetoresistiver Effekt Magnetostriktiver Effekt Effekte der Induktion Effekte der Kapazität Gauß-Effekt Hall-Effekt Wirbelstrom-Effekt Thermoelektrischer Effekt Thermowiderstands-Effekt Temperatureffekte bei Halbleitern Pyroelektrischer Effekt Fotoelektrischer Effekt Elektrooptischer Effekt Elektrochemische Effekte Chemische Effekte Akustische Effekte Optische Effekte Doppler-Effekt Sensortechnik 25
26 Physikalisches Prinzip Widerstandsänderung Induktivitätsänderung Messgrößen Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehmoment, Magnetfeld, Licht, Temperatur, radioaktive Strahlung und Gaskonzentration Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehzahl (Spulenabstand, Kernverschiebung, Dämpfung) Kapazitätsänderung Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehzahl (Plattenabstand, Plattengröße, Dielektrikum) (Feldänderung, Bewegung) Thermoelektrischer Effekt (Thermoelement) Piezoelektrischer Effekt (Piezokristall) Fotoelektrischer Effekt Temperaturmessung Längen-, Kraft- und Druckänderungsmessung Lichtintensität, Drehzahl, Drehwinkel (Foto- Widerstand, -Diode, -Transistor) Sensortechnik 26
27 Physikalische Effekte in der Sensortechnik 1. Piezoelektrischer Effekt 2. Resistiver und piezoresistiver Effekt 3. Magnetoresistiver Effekt 4. Magnetostriktiver Effekt 5. Effekte der Induktion 6. Effekte der Kapazität 7. Gauß-Effekt 8. Hall-Effekt 9. Wirbelstrom-Effekt 10. Thermoelektrischer Effekt 11. Thermowiderstands-Effekt 12. Temperatureffekte bei Halbleitern 13. Pyroelektrischer Effekt 14. Fotoelektrischer Effekt 15. Elektrooptischer Effekt 16. Elektrochemische Effekte 17. Chemische Effekte 18. Akustische Effekte 19. Optische Effekte 20. Doppler-Effekt Hering/Schönfelder: Sensoren in Wissenschaft und Technik Vieweg und Teubner, 2012 Sensortechnik 27
28 1.2.1 Piezoelektrischer Effekt Sensortechnik 28
29 F x F x F x Scheiben F x - Longitudinal-Piezoeffekt Piezo-Batterie Q X = d F X Sensortechnik 29
30 l x F y l y F + y - Q Y = d F Y (l Y / l X ) Sensortechnik 30
31 Materialien: Piezoelektrische Kristalle (SiO 2, Turmalin, LiNbO 3, LiTaO 3, GaPO 4, BaTiO 3, ) Piezoelektrische Keramiken (PZT) Sonstige (ZnO, AlN, PVDF) Anwendungen: Kraft, Drehmoment, Druck Beschleunigung, Vibration, Schwingungsanalyse Gaskonzentration Sensortechnik 31
32 1.2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt Sensortechnik 32
33 A l R = l/(σ A) R = ρ l/a ΔR/R = k Δl/l = k ε Sensortechnik 33
34 Piezoresistiver Effekt Im Siliziumkristall sind die Änderungen des spezifischen elektrischen Widerstands richtungsabhängig Materialien: Silizium Anwendungen: Kraft, Drehmoment, Druck, Dehnung Sensortechnik 34
35 1.2.3 Magnetoresistiver Effekt Änderung des elektrischen Widerstands eines Werkstoffs durch ein äußeres Magnetfeld ΔR/R = [R(H) R(0)]/R(0) Sensortechnik 35
36 Nichtmagnetische Materialien (MR) Ordinary Magneto Resistance (OMR); (über 100%) Extraordinary Magneto Resistance (EMR); (über 100%) Magnetische Materialien (XMR) Anisotrop Magneto Resistance (AMR); (3 bis 4%) Giant Magneto Resistance (GMR); 6 bis 100%) Colossal Magneto Resistance (CMR); weit über 100%) Tunnel Magneto Resistance (TMR); ( 50%) Sensortechnik 36
37 Materialien: OMR: alle leitfähigen Materialien EMR: spezielle Halbleiterstrukturen AMR: ferromagnetische Materialien GMR: ferromagnetisch metallisch nicht magnetisch CMR: Metall-Halbleiter (unter 100 K) TMR: ferromagnetisch Isolator ferromagnetisch Anwendungen: Länge, Position, Winkel, Neigung, Füllstand Drehzahl, Strömung, Durchfluss Temperatur, Energie, Strom, Magnetfeld Sensortechnik 37
38 1.2.4 Magnetostriktiver Effekt Längenänderung eines ferromagnetischen Materials durch ein äußeres Magnetfeld (Magnetostriktion). Ausrichtung der Weiß schen Bezirke Sensortechnik 38
39 Materialien: Fe 90 Al 4 : Δl/l 10-6 = 24 Fe 60 Co 40 : Δl/l 10-6 = 147 Fe 83 Ga 70 : Δl/l 10-6 = 207 FeTb 0,3 Dy 0,7 Fe 2 : Δl/l 10-6 = Fe 70 Pd 30 : Δl/l 10-6 = NiMnGa: Δl/l 10-6 = Anwendungen: Weg, Position, Geschwindigkeit, Füllstand Zug- und Druckkraft, Drehmoment Ultraschall Sensortechnik 39
40 1.2.5 Effekte der Induktion Induktionsgesetz Spulen im Wechselstromkreis U ind = - dφ/dt Φ = B da B = μ 0 μ r (N I) / l Φ = B da = B A = μ 0 μ r A (N I) / l = L I/N Sensortechnik 40
41 A r l L = N 2 μ A / l mit μ = μ 0 μ r μ 0 = 4 π 10-7 Vs/(Am) μ r = 1 für Luft, 1600 für Dynamoblech IV Sensortechnik 41
42 Anwendungen: KFZ: Drehzahl, Position, Niveau, Winkel Automatisierungstechnik: Erkennung, Position, Abstand, Breite, Dicke, Verformung, Vibration Sonstige: Vakuum, Leitfähigkeit, Durchfluss Sensortechnik 42
43 1.2.6 Effekte der Kapazität Kapazität im Gleichstromkreis Kapazität im Wechselstromkreis C = Q/U Sensortechnik 43
44 A d r C = ε A / d mit ε = ε 0 ε r ε 0 = 8, F/m ε r = 1 für Luft, 81 für Wasser Sensortechnik 44
45 Materialien: Vakuum, Luft: ε r = 1 Papier: ε r = 2,3 Porzellan: ε r = 4,5 Al 2 O 3 : ε r = 12 Wasser: ε r = 81 Keramik: ε r = 10 bis 10 4 Anwendungen: Materialerkennung, Größe, Position, Abstand, Weg, Füllstand Beschleunigung, Vibration, Druck Touchpads, Feuchte Sensortechnik 45
46 1.2.7 Gauß-Effekt Leiter oder Halbleiter im Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung Ablenkung durch Lorentz-Kraft Wegverlängerung für die Elektronen Widerstand erhöht sich quadratisch zur Flussdichte Anwendungen: Magnetfeld, Strom Winkel, Position Drehgeschwindigkeit Sensortechnik 46
47 1.2.8 Hall-Effekt Leiter oder Halbleiter im Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung Ablenkung durch Lorentz-Kraft Hallspannung durch Ladungstrennung Hall-Koeffizient A H Hall-Widerstand R H Sensortechnik 47
48 B I U H I b d a U H = I B A H / d = I R H Sensortechnik 48
49 Materialien: Kupfer: A H = -5, m 3 /C Silber: A H = -8, m 3 /C Caesium: A H = m 3 /C Cadmium: A H = m 3 /C Zinn: A H = m 3 /C Beryllium: A H = +24, m 3 /C Wismut: A H = m 3 /C Silizium/Germanium: A H = bis m 3 /C Indium-Antimonid: A H = -2, m 3 /C Indium-Arsenid: A H = m 3 /C Sensortechnik 49
50 Anwendungen: Magnetfeld, Strom kontaktlose Signalgeber Position Bewegung Dicke Sensortechnik 50
51 1.2.9 Wirbelstrom-Effekt Wechselwirkung zwischen Leiter und Magnetfeld Entstehung von Wirbelströmen Wirbelströme erzeugen eigenes Magnetfeld Sensortechnik 51
52 Anwendungen: Position, Weg, Abstandsmessung Schwingung, Drehzahl, Rundlauf, Lage Verschleiß, Dicke, Leitfähigkeit, Korrosion Rissprüfung Sortieren Ferritgehalt Sensortechnik 52
53 Thermoelektrischer Effekt Thermodiffusion der Elektronen Elektronendichte an der wärmeren Seite ist geringer Potenzialunterschied: Thermospannung U TH Sensortechnik 53
54 T M T R U Temperaturbereich / K Thermoelektrische Kraft / mv/k Cu-Konstantan 20 bis 700 0, ,0699 Fe-Konstantan 20 bis1000 0, ,069 Ni/Cr-Ni 70 bis 300 0, ,036 Pt/Rh-Pt 270 bis1900 0, ,012 W/5%Rh-W/26%Rh 270 bis ,01...0,019 (Konstantan: 55Cu/44Ni/1Mn) Sensortechnik 54
55 Thermowiderstands-Effekt Elektrischer Widerstand ist von der Temperatur abhängig R(T) = R 0 (1 + α(t T 0 ) + β(t T 0 ) 2 ) Materialien: Platin: -220 C bis 1000 C Nickel: -60 C bis 180 C Kupfer: -50 C bis 150 C Sensortechnik 55
56 Temperatureffekte bei Halbleitern Elektrischer Widerstand ist von der Temperatur abhängig Kaltleiter (PTC-Widerstand) Heißleiter (NTC-Widerstand) Der Widerstand hängt exponentiell von der Temperatur ab) Materialien: BaTiO 3, SrTiO 3 Fe 2 O 3, MgCr 2 O 4, A 2+ B 3+ 2O 2-4 Sensortechnik 56
57 Pyroelektrischer Effekt Ladungsänderung unter Wärmeeinfluss Elektrische Polarisation ist eine Funktion der Temperatur ΔP = kp ΔT Sensortechnik 57
58 Materialien: Pyroelektrische Kristalle: LiTaO 3, BaTiO 3 Pyroelektrische Keramiken: PZT Pyroelektrische Kunststoffe: Polyvinylidenfluorid (PVDF) Anwendungen: Bewegung, Identifikation, Zählen Wärmebelastung, Temperatur, Lichtschranken Schadstoffe, Reaktionswärme, Strahlungsenergie Sensortechnik 58
59 Fotoelektrischer Effekt Lichtquant (Photon) wird von einem Elektron absorbiert Äußerer Fotoeffekt: Auslösen von Elektronen Innerer Fotoeffekt: Elektronen gehen vom Valenzband ins Leitungsband Sensortechnik 59
60 h * Lichtquant h * Lichtquant Elektron Elektron Metallplatte Halbleiter äußerer Fotoeffekt innerer Fotoeffekt Sensortechnik 60
61 h * Halbleiterkristall N P - + Umgekehrter Fotoeffekt: LED Sensortechnik 61
62 Elemente: Fotoelement Fotodiode Fotowiderstand Fototransistor Fotothyristor Anwendungen: Optokoppler Lichtschranken, Lichttaster Lichtmessung, Farberkennung Sensortechnik 62
63 Elektrooptischer Effekt Elektrische Größen haben Einfluss auf optische Eigenschaften Brechungsindex: Pockels-Effekt, Kerr-Effekt Lichtmodulation Anwendungen: Objekterkennung- und Klassifizierung Füllstand, Abstand, Weg, Winkel, Temperatur, Geschwindigkeit Trübung Lasertechnik Sensortechnik 63
64 Elektrochemische Effekte Zusammenhang zwischen Stoff- und Ladungstransport Umweltdiagnostik Kontrolle von Prozessen Arbeitsplatzsicherheit Sensortechnik 64
65 Chemische Effekte Wechselwirkung von Gasen und Festkörpern Sensortechnik 65
66 Akustische Effekte Schallwellen Absorption, Reflexion, Transmission Sensortechnik 66
67 Optische Effekte Teilchen Welle Optischer Sensor: Sender, Medium, Empfänger Sender: Weißes Licht, Laser, LED Medium: Vakuum, Luft, Fluid, Festkörper, Glas, LWL Empfänger: Fotodiode, Fototransistor, Fotothyristor, CMOS- Bildsensoren, CCD Sensortechnik 67
68 Doppler-Effekt Frequenzverschiebung bei bewegten Objekten Anwendungen: Astronomie Navigation Geschwindigkeitsmessung Schwingungsanalyse Medizintechnik Sensortechnik 68
69 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.3 Messgrößen Geometrische Größen Mechanische Größen Zeitbasierte Größen Temperatur Elektrische Größen Magnetische Größen Radiometrische Größen Fotometrische Größen Akustische Größen Klimatische und meteorologische Größen Chemische Größen Sensortechnik 69
70 1.3.1 Geometrische Größen Weg, Abstand Winkel, Drehbewegung, Neigung Objekterfassung 3D-Messung Sensortechnik 70
71 1.3.2 Mechanische Größen Masse, Kraft Dehnung Druck Drehmoment Härte Sensortechnik 71
72 1.3.3 Zeitbasierte Größen Zeit Frequenz Pulsbreite Phase, Laufzeit Drehzahl, Drehwinkel Geschwindigkeit, Beschleunigung Durchfluss Sensortechnik 72
73 1.3.4 Temperatur Sensortechnik 73
74 1.3.5 Elektrische Größen Spannung, Stromstärke Ladung, Kapazität Leitfähigkeit, Widerstand Feldstärke Energie, Leistung Sensortechnik 74
75 1.3.6 Induktive Größen Magnetische Feldstärke Sensortechnik 75
76 1.3.7 Radiometrische Größen Energiedichte Strahlungsleistung Strahlstärke Sensortechnik 76
77 1.3.8 Fotometrische Größen Lichtstrom, Lichtmenge, Lichtstärke Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke Lichtausbeute Farbe Sensortechnik 77
78 1.3.9 Akustische Größen Schalldruck Schallpegel Sensortechnik 78
79 Klimatische und meteorologische Größen Feuchtigkeit (in Gasen) Feuchte (in festen und flüssigen Stoffen) Niederschlag (im Außenklima) Feuchte (in geschlossenen Räumen) Luftdruck Wind- und Luftströmung Wasserströmung Sensortechnik 79
80 Chemische Größen Redoxpotenzial Ionen Gase Elektrolytische Leitfähigkeit Sensortechnik 80
81 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.4 Einheiten und Naturkonstanten Das SI-System Darstellung der Größe SI-System und Naturkonstanten Überblick und Umrechnungen Sensortechnik 81
82 1.4.1 Das SI-System SI: SI-Basisgrößen: SI-Basiseinheiten: Système international d unités Länge, Masse, Zeit, elektrische Stromstärke, thermodynamische Temperatur, Stoffmenge, Lichtstärke Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere Kelvin, Mol, Candela Sensortechnik 82
83 Basisgröße Name Einheitenzeichen Definition Länge Meter m Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von (1/ ) Sekunden durchläuft Masse Kilogramm kg Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps Zeit Sekunde s Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung Elektrische Stromstärke Ampere A Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft Newton hervorrufen würde Temperatur Kelvin K Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers Stoffmenge Mol mol Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein Lichtstärke Candela cd Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt Sensortechnik 83
84 SI-BASIS- GRÖSSEN SI-BASIS- EINHEITEN ABGELEITETE SI-EINHEITEN MIT BESONDEREM NAMEN rad sr m 2 Länge m Meter J Masse kg Kilogramm N Pa Hz Zeit s Sekunde W rad Wb T C F elektrische Stromstärke A Ampere V thermodynamische Temperatur K Kelvin Stoffmenge mol Mol S Lichtstärke cd Candela lm lx Sensortechnik 84
85 1.4.2 Darstellung der Größe Nach ISO sind Größensymbole in kursiver Schrift zu schreiben. Die physikalische Größe ist das Produkt aus Zahlenwert und Einheit Sensortechnik 85
86 Sensortechnik 86
87 1.4.3 SI-System und Naturkonstanten Ersatz der SI-Einheiten durch Naturkonstanten: Periodendauer einer Welle Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Planck-Konstante Elementarladung Boltzmann-Konstante Avogadro-Konstante Lichtintensität einer 540 THz-Quelle Sensortechnik 87
88 Name Symbol Zahlenwert Zehnerpotenz Einheit relative Unsicherheit Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum Plancksches Wirkungsquantum, c 2, m s 1 exakt h 6, (33) J s 5, Planck-Konstante ħ 1, (53) J s 5, Elementarladung e 1, (40) C 2, Boltzmann-Konstante k 1, (24) J K 1 1, Avogadro-Konstante N A 6, (30) mol 1 5, Sensortechnik 88
89 1.4.4 Überblick und Umrechnungen Größe Einheit Zeichen Ableitung Erläuterung Fläche Quadratmeter m 2 Fläche von 1m * 1m Volumen Kubikmeter m 3 Würfel von 1m * 1m * 1m Geschwindigkeit m/s In 1 s 1 m zurücklegen Beschleunigung m/s 2 In 1s die Geschwindigkeit um 1 m/s erhöhen Sensortechnik 89
90 Größe Einheit Zeichen Ableitung Erläuterung ebener Winkel Radiant rad 1 rad = 1 m/1m 1 m Bogen aus Kreis mit 1 m Radius räumlicher Winkel Steradiant sr 1 sr = 1 m²/1m² 1 m² Kugelfläche bei 1 m Radius Kraft Newton N 1 N = 1 kgm/s² 1 kg um 1 ms -2 Energie Arbeit Wärmemenge Joule J 1 J = 1 Nm = 1 Ws Leistung Watt W 1 W = 1 Nm/s = 1 J/s beschleunigen mit Kraft 1 N um 1 m verschieben 1 s lang 1 J aufbringen Druck Pascal Pa 1 Pa = 1 N/m² 1 N auf 1 m² Fläche Frequenz Hertz Hz 1 Hz = s -1 1 Periode pro s elektrische Spannung Volt V 1 V = 1 W/A Spannungsabfall bei 1 A und 1 W magnetischer Fluss Weber Wb 1 Wb = 1 Vs = 1 Tm² Induktion von 1 V bei gleichmäßiger Abschwächung auf 0 in 1 s Sensortechnik 90
91 Größe Einheit Zeichen Ableitung Erläuterung Induktivität Henry H 1 H = 1 Wb/A = 1 Vs/A = 1 s magnetische Tesla T 1 T = 1 Wb/m² Induktivität geschlossener Windungen bei 1 A und 1 Wb Flußdichte Ladung Kapazität elektrischer Widerstand Coulomb Farad C F 1 C = 1 As 1 F = 1 C/V = 1 As/V Aufladung auf 1 V durch 1 C Ohm 1 = 1 V/A = S -1 Leiter mit 1 V Spannungsabfall bei 1 A elektrischer Leitwert Siemens S 1 S = 1 Ω -1 Leitwert von 1 Lichtstrom Lumen lm 1 lm = 1 cd sr punktf. Lichtquelle mit 1 cd im Raumwinkel 1 sr Beleuchtungsstärke Lux lx 1 lx = 1 lm/m² Sensortechnik 91
92 Länge cm m km Zoll Fuß mile cm 1 0,01 1*10-5 0,3937 0, ,214*10-6 m ,001 39,37 3,281 6,214*10-4 km 1* ,937* ,6214 Zoll 2,54 0,0254 2,54* , ,58*10-6 Fuß 30,48 0,3048 3,048* ,896*10-5 mile 1,609* ,609 6,335* inch = 1 Zoll = 25,4 mm Sensortechnik 92
93 Fläche cm 2 m 2 km 2 (Zoll) 2 (Fuß) 2 mile 2 cm 2 1 1*10-4 1* ,155 0, ,386*10-10 m 2 1* * ,76 0,386*10-6 km 2 1* * ,55*10 9 1,076*10 7 0,386 in 2 (Zoll) 2 6,452 6,452*10-4 6,452* ,94*10-3 2,49*10-10 ft 2 (Fuß) ,0929 9,29* ,59*10-8 mile 2 2,59* ,59*10 6 2,59 4,01*10 9 2,785* Sensortechnik 93
94 Volumen cm 3 liter m 3 (Zoll) 3 (Fuß) 3 gal cm 3 1 0,001 1*10-4 0, ,53*10-4 2,64*10-4 liter ,001 61,02 0, ,2642 m 3 1* ,102* ,32 264,2 in 3 (Zoll) 3 16,39 0, ,639* ,79*10-4 0,00433 ft 3 (Fuß) 3 2,83* ,32 0, ,481 gal ,785 0, , Sensortechnik 94
95 Druck mm Hg inch Hg inch H 2 O ft H 2 O atm lb/in. 2 kg/cm 2 mm Hg 1 0, ,5353 0,0446 0, , ,00136 inch Hg 25,4 1 13,6 1,133 0, ,4912 0,03453 inch H 2 O 1,868 0, , , , ,00254 ft H 2 O 22,42 0, ,0295 0,4335 0,03048 atm ,92 406,8 33,9 1 14,7 1,033 lb/in. 2 51,71 2,036 27,67 23,07 0, ,07031 kg/cm 2 735,6 28,96 393,7 32,81 0, , Pa = 1 N/m 2 = 1*10-5 bar = 9,869*10-6 atm 1 Torr = 1/760 atm = 1 mm Hg 1000 psi = 70,31 bar Sensortechnik 95
96 Durchfluss l/s gal/min ft 3 /s ft 3 /min l/s 1 15,85 0, ,119 gal/min 0, , ,1337 ft 3 /s 28,32 448, ft 3 /min 0,4719 7,481 0, T C / C = 5/9*(T F / F - 32) T F / F = 1,8*T C / C + 32 T K /K = T C / C + 273,15 T C / C = T K /K - 273,15 Sensortechnik 96
97 2 Sensorsignalverarbeitung 2.1 Einführung 2.2 Sensorschaltungen mit Operationsverstärker 2.3 Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale 2.4 Anwendungsbeispiele Zweidraht Spannung/Strom Messumformer Temperatur-Frequenz-Umsetzer mit einem VFC 2.5 Linearisierung Analoge Linearisierung Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen Linearisierung mit Operationsverstärker Digitale Linearisierung 2.6 Umsetzer Digital/Analog-Umsetzer Analog/Digitale-Umsetzer Sensortechnik 97
98 2 Sensorsignalverarbeitung 2.1 Einführung Sensortechnik 98
99 S: Sensor SC: Signalumsetzer R: Regler A: Stellglied A Informationsraum Physikalischer Raum S SC R S SC Signalraum Sensortechnik 99
100 R 3 R 1 U H U D U 4 R 4 U 2 R 2 Sensortechnik 100
101 R Z R 3 U D R 1 U B U H R M R V R 2 R 4 Sensortechnik 101
102 2 Sensorsignalverarbeitung 2.2 Sensorschaltungen mit Operationsverstärker Sensortechnik 102
103 Konstantspannungsquelle R 2 R 1 U 0 Z I Z O U A Sensortechnik 103
104 Stromquelle I = const. R L U A Sensortechnik 104
105 R(T) R 1 U 0 Sensortechnik 105
106 R C I C U D U 0 U B U P R E Sensortechnik 106
107 R D I D U 0 U B U P R S Sensortechnik 107
108 Summierer R 3 R A I A R 2 I 3 I 2 I 1 R 1 U 3 U 2 U 1 U A Sensortechnik 108
109 Differenzverstärker R 3 R 4 U A R 1 R 2 U 2 U 1 U N U P Sensortechnik 109
110 Elektrometersubtrahierer Sensortechnik 110
111 U 2 U D2 R 1 R 2 R 4 R 3 U D R 4 U D1 U A R 1 R 2 U 1 U A2 U A1 Sensortechnik 111
112 Logarithmierer U AK R U E U A Sensortechnik 112
113 Anti-Logarithmierer R U AK U E U A Sensortechnik 113
114 Aktive Brücke mit Widerstandssensor R 1 R x U 0 U A R 1 R 0 U N U P Sensortechnik 114
115 Aktive Brücke mit Diodensensor U D R 1 D U 0 U A R 1 R 0 Sensortechnik 115
116 Stromquelle mit Grundgrößenkompensation Sensortechnik 116
117 R R I R E U B U A U 0 R K U(T) Sensortechnik 117
118 2 Sensorsignalverarbeitung 2.3 Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale Sensortechnik 118
119 AUTO-ZERO-VERSTÄRKER Sensortechnik 119
120 CHOPPER AC-AMP. DEMOD. FREQUENZGENERATOR ZERHACKER-VERSTÄRKER Sensortechnik 120
121 LOCK-IN-VERSTÄRKER Messsignal Bandpassfilter Multiplizierer Tiefpassfilter Referenzsignal Phasenschieber Ausgangssignal Sensortechnik 121
122 2 Sensorsignalverarbeitung 2.4 Anwendungsbeispiele Sensortechnik 122
123 2.4.1 Zweidraht Spannung/Strom-Messumformer AD 693 Sensortechnik 123
124 5 V 7805 R 2 R 1 U IN U B R 3 R 4 U S R S R L Sensortechnik 124
125 2.4.2 Temperatur-Frequenz-Umsetzung mit einem VFC AD 537 Sensortechnik 125
126 1 2 DRIVER k f OUT + 5 V CURRENT-TO- FREQUENCY- CONVERTER pf ,74 k 6,04 k 2 k 6 7 U T U R PRECISION VOLTAGE SOURCE 9 8 Sensortechnik 126
127 ; 2.5 Linearisierung ; Analoge Linearisierung Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen KTY81 R R25 (1 2 0,78 10 K 1, K O 25 C R 1 2 o R bei C 2 ) (2.41) Sensortechnik 127
128 R(θ) / Ω θ / C Sensortechnik 128
129 R(Θ) R L R L R(Θ) I U A U U A Sensortechnik 129
130 R R(Θ) R L Θ M Θ Sensortechnik 130
131 Sensortechnik 131
132 Sensortechnik 132
133 Sensortechnik 133 Steigung im Punkt M J : ( ) ( ) ( ) ( ) b R R R R R R R R m L M M M M L L M M L T = + D + D + D + D + = + = ' 1 1 J b J a J b J a J J Ersatzgerade: J J J J D + ø ö ç ç è æ D - + = b b R R R m M L M M L C o M / J W k R L / -55 0,8 0 1,8 25 2, , ,1
134 Linearisierung mit Operationsverstärker U X U X = - U E U A X -1 U A X U E U E Sensortechnik 134
135 R 10 R 20 R 11 D 11 D 21 R 21 R 12 D 12 D 22 R 22 U E R`11 R`21 R`22 R`12 U REF1 U REF2 U A Sensortechnik 135
136 U X / V -U E / V X U A / V Sensortechnik 136
137 -U E /V U A /V Bereich -v R 1 R 2 0 A B C D E Sensortechnik 137
138 Berechnung der R ij : Sensortechnik 138
139 2.5.2 Digitale Linearisierung S ADC EPROM DAC S ADC μc DAC P R O G R A M M Sensortechnik 139
140 2 Sensorsignalverarbeitung 2.6 Umsetzer Digital/Analog-Umsetzer Sensortechnik 140
141 DAU mit gewichteten Widerständen 2 R 4 R 8 R 16 R R U REF z 3 z 2 z 1 z 0 U A MSB LSB Sensortechnik 141
142 DAU mit Leiter-Netzwerk U REF U REF U REF 2 4 R R R 8 2 R 2 R 2 R 2 R 2 R R U REF z 3 z 2 z 1 z 0 U A MSB LSB Sensortechnik 142
143 Switched Capacitor DAU 1 S 1 0 S U A U REF C C Sensortechnik 143
144 2.6.2 Analog/Digital-Umsetzer Sensortechnik 144
145 Flash ADC U REF R/2 K7 COMP 1D z 2 U E R COMP 1D C1 DECODER z 1 z 0 C1 R K6 COMP 1D C1 R/2 K1 Sensortechnik 145
146 Kaskaden ADC S&H A D D A A D U E U REF MSB LSB Sensortechnik 146
147 ADC mit SAR S&H COMP D SAR U E f = 1 / T U DAU (Z) D A U REF Z Sensortechnik 147
148 Tracking ADC COMP D ZÄHLER U E f = 1 / T U DAU (Z) D A U REF Z Sensortechnik 148
149 Dual Slope ADC S 1 S 3 R C U E S 2 COMP Steuerung U I (t) RCO U REF & ZÄHLER f = 1 / T Z Sensortechnik 149
150 VFC S C R U E COMP Steuerung f U REF SOC Sensortechnik 150
151 Sigma-Delta ADC COMP Bitstrom U E A D U REF Sensortechnik 151
152 Sigma-Delta ADC Gegeben ist folgender Sigma-Delta-ADC. U A wird synchron mit der ansteigenden Flanke des CLK-Signals gesetzt. Es gilt: -0,8 V U E +0,8 V, B = A dt B < 0: U A = 0, C = -0,8 V B 0: U A = 1, C = +0,8 V U E + - Σ C A INTEGRATOR B + - COMP U A + 0,8 V - 0,8 V CLK Zeichnen Sie für U E = -0,2 V die zeitlichen Verläufe von B und U A und kennzeichnen Sie eine Periode von U A. Die Startbedingung ist B = 0 V. (mögliche Werte von A: -0,2 V 0,8 V und -0,2 V + 0,8 V) Sensortechnik 152
153 Sigma-Delta ADC B 0 t CLK t 1 U A 0 Sensortechnik 153 t
154 3 Ausgewählte Sensoren 3.1 Weg- und Abstandsmessung Resistiv, kapazitiv und induktiv SoftPot Ultraschall Infrarot Koordinatenmessgerät 3.2 Sensoren für mechanische Größen Kraftsensor DMS Vibrationssensor Flexsensor 3.3 Temperatursensoren NTC SHT Sensoren für zeitbasierte Größen 3.5 Fotometrische Sensoren Fotowiderstand Fotodiode und -transistor PIR 3.6 Akustische Sensoren Mikrofon Ultrasonic 3.7 Sensoren für klimatische Größen Luftdruck Luftfeuchte Kompass 3.8 Sonstige Sensoren Kapazitiver Sensor Reed-Schalter Beschleunigungssensor Drehraten (Giro) Realtime Clock (RTC) Sensortechnik 154
155 3 Ausgewählte Sensoren 3.1 Weg- und Abstandsmessung Resistiv, kapazitiv und induktiv Sensortechnik 155
156 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Potenziometer, Spannungsteiler U x l U A 0 Veränderung der Kondensatorfläche C x l C A 0 Sensortechnik 156
157 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Differenzialtransformator (LVDT: Linear Variable Differential Transformer) x M 1 L 21 u A u E (t) L 1, R 1 L 22 M 2 u E ( t) uˆ cos t E u A uˆ E j M ( x) M R j L 2 1 ) 1 1 ( x Sensortechnik 157
158 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Blockschaltbild der Auswerteelektronik Oszillator Demodulator Amplitudenregelung Phasenregelung Sensortechnik 158
159 3.1.2 SoftPot Ein SoftPot dient als ein Momentkontakt-Gerät Stufenlos verstellbarer analoger Spannungsteiler Wird durch einen menschlichen Finger oder eine mechanische Vorrichtung betätigt Sensortechnik 159
160 3.1.2 SoftPot Oberschicht aus Silber Abstandsschicht Anschlussleitungen Unterschicht Carbonschicht Sensortechnik 160
161 3.1.2 SoftPot Top layer with silver shunt Space layer Bottom layer with conductive carbon Ohne Druck Mit Druck Sensortechnik 161
162 3.1.2 SoftPot Charakteristik: Widerstandsbereich: von 1 kω bis 100 kω Standardmäßig liegt das Softpot bei 10 kω Leistung: max 1 Watt Druckkraft: von 85 g bis 680 g Länge: von 0,25 bis 96 Anwendungen: Positionserkennung bei Linearantrieben Lichtdimmer Im medizinischen Bereich, Flugzeugsitz, Robotik Sensortechnik 162
163 3.1.3 Ultraschall Sensortechnik 163
164 3.1.3 Ultraschall Ultraschall 20 khz 10 MHz Geschwindigkeit abhängig vom Medium Wasser: 0, g/cm m/s Luft: 0,0012 g/cm m/s Bei Gasen zusätzlich temperatur- und feuchtigkeitsabhängig Wellenförmige Ausbreitung Sensortechnik 164
165 3.1.3 Ultraschall Physikalisches Prinzip Quelle: Sensortechnik 165
166 3.1.3 Ultraschall Physikalisches Prinzip Abstand: r= v*δt/2 Sensortechnik 166
167 3.1.3 Ultraschall Ultraschallwandler Auskoppelfolie Metallring Piezoscheibe Gehäuse Sensortechnik 167
168 3.1.3 Ultraschall Funktionsweise Objekt Steuerung )))) (((( Taktgenerator Auswertung Sensortechnik 168
169 3.1.3 Ultraschall LV-MaxSonar EZ1 High Performance Sonar Range Finder MaxBotix Inc. 19,9 mm 22,1 mm 15,5 mm Sensortechnik 169
170 3.1.3 Ultraschall Charakteristik Reichweite: < 6,5 m Auflösung: 25,4 mm V cc : 2.5 V 5.5 V Stromaufnahme: 2 ma Ermittelt Abstand direkt 20 Messungen pro Sekunde Ausgänge: Pulsweiten-, Analog-, Digitalsignal Quelle: MaxBotix Datasheet Rel. 01/14/11 Sensortechnik 170
171 3.1.3 Ultraschall Pin RX Funktion Serieller Eingang TX AN PW Für BW low/unconnected: RS232 ASCII 9600Baud 81N (8bits, no parity, one stop bit) Ausgang Analogsignal V cc /512/inch Ausgang Pulsweitensignal 147µs/inch BW Sensortechnik 171
172 3.1.3 Ultraschall Zylinderstift mit: ( A ) 0.3 cm ( B ) 0.6 cm ( C ) 2.5 cm ( D ) 8.3 cm MESSBEREICH ( C ) ( D ) 10 ft. ( A ) ( B ) 5 ft. Sensortechnik 172
173 3.1.3 Ultraschall EZ1: SCHALTUNG Impedanzwandler Chip Sender/Empfänger Wechselspannungsverstärker und Gleichrichter RC-Filter Glätten und verstärken Sensortechnik 173
174 3.1.3 Ultraschall Beispiel mit ARDUINO BW Sensortechnik 174
175 3.1.4 Infrarot Sensortechnik 175
176 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik Sensortechnik 176
177 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip Quelle: Sensortechnik 177
178 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip Infrarotsender Infrarotempfänger Reflexion der Welle Detektion von Wärmestrahlung Sensortechnik 178
179 3.1.4 Infrarot Reflexsensor Funktionsweise Objekt Sensortechnik 179
180 3.1.4 Infrarot Reflexsensor QRD 1114 Reflective Objekt Sensor FAIRCHILD Semiconductor Corp. 4,39 mm 6,1 mm 4,65 mm Sensortechnik 180
181 3.1.4 Inrarot Reflexsensor Charakteristik Reichweite: < 500 mm Wellenlänge: 940 nm Leistung: 100 mw Epoxy-Gehäuse Quelle: FAIRCHILD Datasheet QRD1114 Sensortechnik 181
182 3.1.4 Inrarot Reflexsensor Charakteristik Rel. Empfindlichkeit / % Wellenlänge/nm Sensortechnik 182
183 3.1.4 Infrarot Reflexsensor Beispiel mit ARDUINO 4,7 kω 220 Ω Sensortechnik 183
184 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Grundlagen Es ist kein aktiver Sender erforderlich Erfassung der Infrarotstrahlung der Umgebung keine absolute Erfassung der Wärmestrahlung nur zeitliche bzw. örtliche Änderung der Strahlung PIR = Passiv-InfraRot Sensortechnik 184
185 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor PIR SE-10 PIR Sensor Hanse electronics co. 35,4 mm 30,6 mm 22 mm Erfassungswinkel < 120 Grad Begrenzte Bandbreite (0,05 bis 25 Hz) Sensortechnik 185
186 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor PIR SE-10 Bild2 Elektronik Bild 1 Sensor Bild3 Linse Sensor Linse Elektronik Sensortechnik 186
187 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Pyroelektrischer Sensor 1. Frontelektrode 2. Rückelektrode 3. Verstärker 4. pyroelek. Kristall Sensortechnik 187
188 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Prinzip Durch Ladungsänderung wird eine differierende elektrische Spannung erzeugt, diese Spannung wird durch die nachfolgende Verstärkerelektronik ausgewertet Sensortechnik 188
189 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Fresnel-Linse Sensortechnik 189
190 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Erfassungssektoren Sensortechnik 190
191 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Schaltung Sensortechnik 191
192 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Schaltung Verstärkung des geringen Ausgangssignal der Sensorplatten Unterdrückung von Umgebungstemperatureinflüssen Eliminieren von elektrisch bzw. optisch eingestreuten Störsignalen durch aufwändige elektronische Filter Auswertung der Sensorsignale Sensortechnik 192
193 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Sensorsignale Sensortechnik 193
194 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Optischer Filter Die Kristalle liegen unter einem optischen Filter, welches den auszuwertenden Bereich auf das mittlere Infrarot begrenzt (7-14 µm). Sensortechnik 194
195 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Einsatzgebiete Bedarfs- und Komfortschaltungen für Licht (z.b. in Treppenhäusern, Kellerräumen, Dachböden) Alarm- und Sicherheitsschaltungen (z.b. bei Alarmanlagen im Innenbereich) Hygieneschaltungen (z.b. zur Berührungslosen Spülung) Anwesenheitserkennung und Personenzählung (z.b. vor und in Aufzügen) Sensortechnik 195
196 3.1.5 Koordinatenmessgerät Ein Koordinatenmessgerät ist ein Messgerät zur Bestimmung der kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) eines Punktes an einem Objekt im Raum. Aus der Verbindung von mehreren Messungen weiterer Punkte mit einer Datenverarbeitung ergeben sich dann verschiedene geometrische Größen und Eigenschaften eines Messobjekts. Sensortechnik 196
197 3.1.5 Koordinatenmessgerät Prinzipieller Aufbau Grundplatte (Y-Achse) Portal (X-Achse) Pinole (Z-Achse) Längenmesssysteme Mess- oder Tastkopf Quelle: Wikipedia Sensortechnik 197
198 3.1.5 Koordinatenmessgerät Mess- und Tastkopf Quellen: adpic, ZEISS, Renishaw Sensortechnik 198
199 3.1.5 Koordinatenmessgerät Portal-Koordinatenmessgerät Quelle: ZEISS Sensortechnik 199
200 3.2 Sensoren für mechanische Größen Kraftsensor Kraftsensibler Widerstand, Force Sensing Resistor (FSR) Sensortechnik 200
201 3.2.1 FSR Merkmale: Polymer-Dickschicht-Bauelement Taktiler Sensor Sinkender Widerstand bei steigender Krafteinwirkung auf die aktive Oberfläche Nicht für Präzisionsmessungen geeignet Wirkprinzip: Isolationsschicht zwischen den beiden leitenden Polymerfolien sorgt für hochohmigen Ruhewiderstand Bei steigender Krafteinwirkung auf die aktive Oberfläche entstehen elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Folien sinkender Widerstand Der Widerstand sinkt bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze Sensortechnik 201
202 3.2.1 FSR Aufbau: Sensortechnik 202
203 3.2.1 FSR Technische Daten: von bis Größen 0,5 x 0,5 cm 51 x 61 cm Dicke 0,2 mm 1,25 mm Kraftbereich 100g 10 kg Druckbereich 0,1 kg/cm² 10 kg/cm² Wiederholbarkeit gleicher Sensoren ± 2 % ± 5 % Wiederholbarkeit versch. Sensoren ± 15 % ± 25 % Auflösung 0,5 % vom Maximalwert Anschaltschwelle 20 g 100 g Widerstand Ruhezustand > 1 MΩ Ansprechzeit 1 ms 2 ms Temperaturbereich -30 C 70 C Lebensdauer > 10 Millionen Schaltspiele Sensortechnik 203
204 3.2.1 FSR Typ: SEN Eigenschaften: Widerstandswert: unbelastet >10MΩ Erfassungsbereich: 100g- 10Kg Ansprechzeit: 1-2ms Dicke des Sensors: 0,46mm Wiederholgenauigkeit: ±2%-±5% Auflösung: g Lebensdauer: >10 Millionen Betätigungen Max. Stromaufnahme: 1mA Sensortechnik 204
205 3.2.1 FSR Kennlinie: Sensortechnik 205
206 3.2.1 FSR Vorteile gegenüber kapazitiven Sensoren: Kleinere Abmessungen Günstigerer Preis(FSR: 6, Kapazitiv: 17 ) geringerer Energieverbrauch kein externer Mikroprozessor erforderlich Sensortechnik 206
207 3.2.1 FSR Kennlinen für Spannungsteiler und Strom-Spannungs-Wandler Sensortechnik 207
208 3.2.2 DMS Sensortechnik 208
209 3.2.2 DMS DMS: Dehnungsmessstreifen (strain gauge) Erfassung dehnender oder stauchender Verformungen Wirkprinzip: Änderung des ohmschen Widerstands des Sensors Innige Verklebung mit der Oberfläche des Messobjekts Sensortechnik 209
210 3.2.2 DMS Widerstand des unbelasteten DMS: R= r l A = r 4 l D 2 p Relative Widerstandsänderung: DR R = Dr r + Dl l - 2 DD D Längs- und Querdehnung: e = Dl l e q = DD D = -m e ε ρ : spezifischer Widerstand l : Drahtlänge A : Querschnittsfläche D : Drahtdurchmesser : relative Längenänderung ε q : relative Querschnittsänderung μ : Querdehnungszahl Sensortechnik 210
211 3.2.2 DMS Relative Widerstandsänderung: DR R = k Dl l k-faktor: = k e k = Dr m r e Sensortechnik 211
212 3.2.2 DMS Werkstoffe für DMS: Bezeichnung Zusammensetzung K-Faktor Chromol C Ni 65% Fe 20 % Cr 15 % 2,5 Konstantan Cu 54 % Ni 45% Mn 1 % 2,05 Nichrome V Ni 80% Cr 20 % 2,2 Platin Pt 100% 6 Platin-Wolfram Pt 92% W 8 % 4 Silizium B Si 100% B im ppm-bereich +80 bis +190 Silizium P Si 100% P im ppm-bereich -25 bis -100 Sensortechnik 212
213 3.2.2 DMS Merkmale: Maximale Dehnbarkeit Abhängig vom Material des Messgitterwerkstoffs, vom Klebstoff und vom Trägermaterial Typisch μm/m (Halbleiter) bis μm/m (Folie) Maximaldehnung kann in der Regel nur einmal erreicht werden! Frequenzgrenze: einige MHz DMS-Widerstand: Typische Werte sind 120, 350, 700 und 1000 Ω. Maximale Speisespannung: 5 10 V, bei kleinen, schlecht wärmeleitenden DMS 0,5 V Sensortechnik 213
214 3.2.2 DMS Brückentypen: Brückentyp B Anzahl der DMS Voll 4 4 Voll mit Querkontraktion 2 (1 + ν) 4 Halb 2 2 Halb mit Querkontraktion 1 + ν 2 Viertel 1 2 U U D B 1 4 k B Sensortechnik 214
215 3.2.2 DMS Signalauswertung: DMS-Brücke Messverfahren Gleichspannungs-Differenzverstärker Trägerfrequenz-Differenzverstärker Konstantstrom Time-to-Digital-Conversion Sensortechnik 215
216 3.2.2 DMS Anwendungen: Kraftaufnehmer Waagen Druckaufnehmer Drehmomentmessung Verformungsmessung (Dehnung bzw. Stauchung) Beschleunigungsmessung Schwingungsmessung Bahnzugmessung Sensortechnik 216
217 3.2.2 DMS Ausführungen: Folien-, Draht-, Halbleiter-DMS Mehrfach-DMS DMS mit Querdehnung Vollbrücken -DMs Rosetten-DMS Sensortechnik 217
218 3.2.3 Vibrationssensor Sensortechnik 218
219 3.2.3 Vibrationssensor Merkmale: piezoelektrischer Film PVDF (Polyvinylidenfluorid) Teilkristallin Lichtundurchlässig Polarisierter thermoplastischer Fluorkunststoff Vibrationsmessung über Massenschwingung Wirkprinzip: Piezoelektrischer Effekt Verschiebung der Ladungsschwerpunkte Sensortechnik 219
220 3.2.3 Vibrationssensor Aufbau: Sensortechnik 220
221 3.2.3 Vibrationssensor Technische Daten: von bis Dicke 9 µm 110 µm Rel. Permittivität Temperaturbereich 0 C 125 C Maximale Betriebsspannung 750V/µm Lagertemperatur -40 C 85 C Sensortechnik 221
222 3.2.3 Vibrationssensor Typ: MEAS Eigenschaften: Größe 2,5cm x 1,3cm 28μm PVDF Polymer Film 0,125 mm Polyester Substrat 2 Crimpkontakte als Ausgang Sensortechnik 222
223 3.2.3 Vibrationssensor Kennlinie im Schalterbetrieb: Sensortechnik 223
224 3.2.3 Vibrationssensor Frequenzabhängige Kennlinie : Dynamisches u. breitbandiges Verhalten Hz 10 9 Hz Masse verändert die Empfindlichkeit Sensortechnik 224
225 3.2.3 Vibrationssensor Vorteile: An 3D-Oberflächen anzubringen Großer Frequenzbereich 1 µhz bis mehrere GHz Vielseitig einsetzbar Günstig Sehr kompakt Sehr hohe Spannungen Als Sensor und Aktor einsetzbar Nachteil: Temperaturabhängigkeit Sensortechnik 225
226 3.2.3 Vibrationssensor Anwendungen: Kollisionsdetektor Als flexibler Taster Vibrationsmessungen Sicherheitstechnik Bewegungsüberwachung Hydrophon Mit Kleber auf Oberflächen anzubringen (z.b. Glas) Sensortechnik 226
227 3.2.4 Flexsensor Sensortechnik 227
228 3.2.4 Flexsensor Merkmale: Basiert auf dem Prinzip des Dehnungsmessstreifens (DMS) Dehnungsbereich bis zu Bei aufsteigender Biegung erhöht sich der Widerstand Nicht richtungsabhängig Wirkprinzip: Flexsensoren sind analoge Widerstände, die als variable analoge Spannungsteiler arbeiten Im Inneren der Flexsensoren befinden sich resistive Elemente in einem dünnen flexiblen Substrat Wenn das Substrat gebogen wird, ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit vom Grad der Biegung Der Flexsensor erfasst ein Biegemoment und gibt ein Signal proportional zur Biegung aus Sensortechnik 228
229 3.2.4 Flexsensor Aufbau: Sensortechnik 229
230 3.2.4 Flexsensor Technische Daten: von bis Länge Widerstandsbereich 1.5 kω 44 kω Lebensdauer > 1 Millionen Schaltspiele Temperaturbereich -35 C +80 C Hysterese 7% Spannungsbereich 5 V 12 V Sensortechnik 230
231 3.2.4 Flexsensor Anwendungen: Robotik Flexsensoren zur Bestimmung von Gelenkbewegungen oder Platzierungen Bumper zur Detektion z.b. einer Wand Biometrie Der Sensor kann an ein menschliches Gelenk platziert werden, um eine elektrische Anzeige der Bewegung zu bieten Gaming-Handschuhen Flexsensoren werden in einen Handschuh eingearbeitet, um so z.b. Bewegungen der eigenen Hand auf ein mechanische Hand zu übertragen Sensortechnik 231
232 3.3 Temperatursensoren NTC Sensortechnik 232
233 3.3.1 NTC Merkmale: Halbleiter-Temperatursensor Einsatzbereich zwischen -80 C und C Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand Hohe Auflösung Langzeitstabil Linearisierung notwendig Sensortechnik 233
234 3.3.1 NTC Technische Daten des NTC 103: Messbereich -60 C bis +150 C Nennwiderstand bei 25 C 10 KΩ Widerstandstoleranz bei 25 C ±0,5% Ansprechzeit in Luft 15 s Eigenerwärmung 1,2 mw / K max. Verlustleistung 6 mw Abmessungen 3,8 x 2,8 x 17 mm Sensortechnik 234
235 3.3.1 NTC Charakteristik des NTC 103: R Θ /kω Θ/ C NTC_TEMP_SENSOR_TS_NTC_103_60_150_C.pdf Sensortechnik 235
236 3.3.2 SHT15 Sensortechnik 236
237 3.3.2 SHT15 Merkmale: Halbleiter-Temperatursensor Auch kapazitiver Feuchtesensor Sensor beinhaltet neben CMOS Temperatur- und Feuchtigkeitssensor auch einen Verstärker, einen A/D Umsetzer(14bit) und OTP Speicher (sorgt für vollkalibrierte Digitalausgabe) 2-Kanal Datentransfer (ein Data und einen CLK zur Sloteinteilung/synchronisierung) Zeichnet sich durch hohe Genauigkeit, Langzeitstabilität und geringen Stromverbrauch aus Wirkprinzip: Temperatur wird mit einem Band-Gap Sensor gemessen, auch als PTAT (Proportional To Absolut Temperature ) bezeichnet Sensortechnik 237
238 3.3.2 SHT15 Technische Daten (Temperaturabhängigkeit): Minima Maxima Einheit Auflösung C bit Genauigkeit +/- 3 C Wiederholgenauigkeit +/- 0.1 C Bereich C Ansprechzeit 5 30 s Langzeitdrift < 0.04 C pro Jahr Lagertemperatur C Quellspannung V Sensortechnik 238
239 3.3.2 SHT15 Messgenauigkeit: Vergleich der Temperaturmessgenauigkeit der Sensirion SHT1x Serie humiditysensorsht15.htm Sensortechnik 239
240 3.3.2 SHT15 Breakout Board: Sensortechnik 240
241 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen Beschleunigungssensor Sensortechnik 241
242 3.4.1 Beschleunigungssensor Merkmale: Inertialsensor (IMU, Inertial Measurement Unit) MEMS (kapazitiv) Mikro-Elektro-Mechanisches System Vereint Sensorstrukturen und Signalverarbeitungsschaltkreise auf einem Chip Messung von Rotation und Beschleunigung Kapazitive und piezoresistive Sensoren Sensortechnik 242
243 3.4.1 Beschleunigungssensor Funktionsprinzip: m C 1 C 2 m Δx Sensortechnik 243
244 3.4.1 Beschleunigungssensor Funktionsprinzip: Kräftegleichgewicht: Sensortechnik 244
245 3.4.1 Beschleunigungssensor Kompensationsverfahren: Problem: Räumliche Begrenzung erzeugt begrenzten Messbereich Lösung: Auslenkung durch Gegenkraft verhindern Betrag der Gegenkraft ist ein Maß für die zu messende Eingangsgröße Quelle: Kraftkompensierender Drucksensor für die Flugmesstechnik mit Selbstüberwachung Marc O von Maydell Sensortechnik 245
246 3.4.1 Beschleunigungssensor Aufbau des kapazitiven Sensors: seismische Masse Feder Feder-Masse System und Signalverarbeitung aus Silizium Kapazitive Kammstruktur Sensortechnik 246
247 3.4.1 Beschleunigungssensor Aufbau des piezoresistiven Sensors: Feder-Masse System und Signalverarbeitung aus Silizium Piezoresistive Dehnungssensoren an den dünnen Verbindungsstegen geometrische Auslenkung der Masse wirkt auf diese Piezowiderstände Deformation des Kristallgitters verändert die Beweglichkeit der freien Ladungsträger und somit die Leitfähigkeit Effekt ca. 100fach im Vergleich zu Metall-DMS piezoresistiver Effekt nichtlinear Sensortechnik 247
248 3.4.1 Beschleunigungssensor Vorteile des kapazitiven Sensors: kapazitive Sensoren sind wesentlich temperaturstabiler als piezoresistive Sensoren => keine zusätzlichen Maßnahmen zur Temperaturkompensation notwendig sie haben Ruhekapazitäten im pf-bereich und eine Auflösung im ff-bereich (10-15 ) und damit einen großen Aussteuerungsbereich kapazitive Sensoren weisen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Querbeschleunigung auf Anteil der kapazitiven, mikromechanischen Sensoren überwiegt Sensortechnik 248
249 3.4.1 Beschleunigungssensor Technische Daten ADXL335: 3-Achsen Beschleunigungsmesser g Exzellente Temperaturstabilität Bandbreitenanpassung mit je einem Kondensator pro Achse Messbereich - 3,6 g bis +3,6 g Frequenz bis 1600 Hz Ausgangsspannung 300 mv/g Versorgungsspannung 1,8 V bis 3,6 V Versorgungsstrom 350 μa (typ.) Abmessungen 4 x 4 x 1,45 mm Sensortechnik 249
250 3.4.1 Beschleunigungssensor Breakout Board: Breakout-Board 18x18mm 20,49 Bandbreite 50Hz Sensortechnik 250
251 3.4.1 Beschleunigungssensor Anwendung: Messung von Vibrationen an Gebäuden und Maschinen Aktive Federungssysteme in Fahrzeugen Sensoren in Handys / Spielekonsolen Schadensuntersuchungen beim Warentransport Schlafphasenwecker Airbags, ABS, ESP Sensortechnik 251
252 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen Drehraten (Giro) Sensortechnik 252
253 3.4.2 Drehratensensor Einführung: Ein Giro (Gyroskop, Gyro = griech.: Kreisel) ist ein Drehratensensor zur Messung der Winkelgeschwindigkeit entlang einer Drehachse Das Ausgangssignal wird in /s angegeben Bei bekannter Rotationsgeschwindigkeit lässt sich der Winkel, um den sich das Objekt gedreht hat, bestimmen Die Drehungen um die drei Raumachsen bezeichnet man als: Gieren (Drehung um die Hochachse, engl. yaw) Nicken (Drehung um die Querachse, engl. pitch) Rollen (Drehung um die Längsachse, engl. roll) Sensortechnik 253
254 3.4.2 Drehratensensor y ω φ ω x, t φ t t Sensortechnik 254
255 3.4.2 Drehratensensor Arten: Optisches Gyroskop (Sagnac-Effekt): ω Lichtquelle Lichtleiter Lichtquelle nach Δt Lichtquelle Halbdurchlässiger Spiegel Glasfaser m Detektor Laser Detektor Faseroptischer Kreisel Ringlaser Sensortechnik 255
256 3.4.2 Drehratensensor Messprinzip: Messung der Corioliskraft Es entsteht ein periodisches Drehmoment Die Amplitude ist abhängig von der Corioliskraft Linearer Zusammenhang zwischen Drehgeschwindigkeit und Corioliskraft Masse Ein-Massen-Schwinger Rotierende Stimmgabel Sensortechnik 256
257 3.4.2 Drehratensensor ω Masse Anregungsschwingung Rahmen Coriolisbewegung Sensortechnik 257
258 3.4.2 Drehratensensor MEMS: Zwei Haltepunkte (Anchors) verbinden den äußeren Rahmen mit der Grundplatte (Drive Frame) Massen (Proof Mass) werden mit Hilfe von Elektroden (Drive Electrodes) in Schwingungen versetzt Coriolis-Kraft wirkt auf Massen -> Verschiebung Verschiebung wird kapazitiv mit jeweils zwei Elektroden (Sense electrodes) je Testmasse ermittelt Sensortechnik 258
259 3.4.2 Drehratensensor Typische Drehraten: Sensortechnik 259
260 3.4.2 Drehratensensor LISY300AL ITG-3200 vs. Sensortechnik 260
261 3.4.2 Drehratensensor LISY300AL ITG-3200 Hersteller ST Microelektronics Invensense Versorgungsspannung 3,3V (2,7V-3,6V) 3,3V (2,1V-3,6V) Stromaufnahme Betrieb Standby 4,8mA 1μA 6,5mA 5μA Messbereich +/-300 /s +/-2000 /s Auflösung 3,3mV/ /s 14,375 LSBs pro /s Startzeit 300ms 50ms Resonanzfrequenz des Sensorelements 4,5 khz 27 khz in Z 30 khz in Y 33 khz in X Achsen 1.Achse 3.Achsen Anschluss analog I²C Preis 24,95$ 49,95$ Besonderheiten Selbsttest, Standby Standby, 16 Bit Auflösung, einstellbare Bandbreite Sensortechnik 261
262 3.4.2 Drehratensensor Anschlüsse: LISY300Al Arduino ITG-3200 Arduino 3,3V Versorgungsspannung 3,3V GND Masse GND OUT Analogausgang Analogeingang PD power down Digitalausgang ST self test GND SCL serial clock line Analog PIN 5 SDA serial data line Analog PIN 4 CLK ext. clock GND INT interrupt output n.c. GND Masse GND VIO Logikspannung (I²C) 3.3V VDD Versorgungsspannung 3.3V Sensortechnik 262
263 3.4.2 Drehratensensor Blockschaltbild LISY300AL: Sensortechnik 263
264 3.4.2 Drehratensensor Blockschaltbild ITG-3200: Sensortechnik 264
265 3.4.2 Drehratensensor Eigenschaften LISY300AL: Messbereich: ±300 /s Integrierter Tief Pass Filter Integrierter Selbsttest Proportionales analoges Ausgangssignal Geringe Verlustleistung Temperaturbereich: -40 C bis +85 C Sensortechnik 265
266 3.4.2 Drehratensensor Eigenschaften ITG-3200: Drehungen um 3 Achsen messbar Messbereich ±2000 /s Spannungsversorgung 2.1V 3.6V, 6.5mA Digitale Ausgänge für jede Achse (über interne 16 Bit ADCs) ADC Ausgaberate programmierbar (3,9/s 8000/s) Kommunikation über I²C Einschaltzeit: 50 ms Verfügt über sparsamen Stand-By Modus Bis g schocktolerant Temperatursensor (-30 bis +85 ) Preis ca. 50$ Sensortechnik 266
267 3.4.2 Drehratensensor Anwendungsbeispiele: Automobilindustrie (ESP, Navigation) Spielkonsolen (PS3, Wii) Smartphones Tablet PC Kameras (Verwackelungsschutz) Modellbau (Hubschrauber) uvm. Sensortechnik 267
268 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen Realtime Clock (RTC) Sensortechnik 268
269 3.4.3 RTC Merkmale DS1307: Realtime Clock (RTC) Datum und Uhrzeit Batterie-gepuffertes 56 Byte NV-RAM I 2 C-Bus Interface Programmierbares Rechteck-Ausgangssignal Spannungsüberwachung Low Power Sensortechnik 269
270 3.4.3 RTC Blockschaltbild DS1307: DALLAS Semiconductor Sensortechnik 270
271 3.4.3 RTC Anschlusspins DS1307: DALLAS Semiconductor Sensortechnik 271
272 3.4.3 RTC Technische Daten DS1307: von bis Versorgungsspannung 4,5 V 5,5 V Größe 10 mm x 6,3 mm x 3,2 mm Versorgungsstrom 1,5 ma Temperaturbereich 0 C +70 C Data Setup Time 250 ns Batteriespannung 2,0 V 3,5 V Batteriestrom 800 na DALLAS Semiconductor Sensortechnik 272
273 3.4.3 RTC BOB RTC-Modul: 20 mm x 20 mm Sensortechnik 273
274 3.5 Fotometrische Sensoren Fotowiderstand Sensortechnik 274
275 3.5.1 Fotowiderstand Merkmale: Halbleitersensor LDR (Light Dependent Resistor) Photon mit genug Energie erzeugt Elektron/Loch-Paar Erhöhung der Ladungsträgerzahl Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit Geeignet für Gleich-und Wechselspannung (kein PN-Übergang) Dunkelstrom nach langer Abdunkelung durch freie Ladungsträger -> Verringerung durch niedrige Temperaturen Stark Temperaturabhängig bei niedriger Beleuchtungsstärke Benötigt zur Einstellung auf stationären Wert zwischen Millisekunden und einigen Sekunden. Abhängig von der Beleuchtungsstärke Weitere Halbleitermaterialien für Fotowiderstände sind z. B. CdSe, PbS, PbSe, CdTe, ZnO, Se, InSb, InAs, Ge oder Si Nicht geeignet für hohe Genauigkeit oder Reproduzierbarkeit Sensortechnik 275
276 3.5.1 Fotowiderstand Aufbau: Fotosensitive Halbleiterschicht Cadmiumsulfid/ Cadmiumselenid für sichtbares Licht Bleisulfid/ Indiumantimonid für Infrarot Isolierstoff meist aus Keramik Kammartige metallische Anschlussflächen Verschiedene Bauarten kunstharzbeschichtet vergossen hermetisch dichtes Metallgehäuse mit Glasfenster Schaltzeichen: Sensortechnik 276
277 3.5.1 Fotowiderstand GL5528 Kennwerte: Eigenschaft Wert Widerstand bei 10 Lux und 25 8 bis 20 kω Widerstand bei 0 Lux (dunkel) 1MΩ min Gamma-Wert 0,7 Verlustleistung bei mw Maximale Spannung bei V Maximale Spektrale Empfindlichkeit bei 25 C 540 nm Temperaturbereich -30 C bis +70 C Sensortechnik 277
278 3.5.1 Fotowiderstand GL5528 Charakteristiken: Lichtintensität Farbempfindlichkeit Sensortechnik 278
279 3.5.1 Fotowiderstand Anwendungen: Belichtungsmesser in Kameras Dämmerungsschalter Optokoppler Beleuchtungsstärkemesser Flammenwächter Sensor in Lichtschranken Sensortechnik 279
280 3.5.1 Fotowiderstand Quellen: Sensortechnik 280
281 3.5 Fotometrische Sensoren Fotodiode und -transistor Siehe Kapitel Sensortechnik 281
282 3.5 Fotometrische Sensoren PIR Siehe Kapitel Sensortechnik 282
283 3.6 Akustische Sensoren Mikrofon Sensortechnik 283
284 3.6.1 Mikrofon Arten, Energieversorgung, Wandlungsprinzipien und Signale: Aktiv Passiv Kohlemikrofon HF- Kondensatormikrofon NF- Kondensatormikrofon Elektret- Kondensatormikrofon Piezomikrofon Dynamisches Mikrofon HF-Oszillator Gleichspannung Gleichspannung Elektretfolie Piezospannung Dauermagnet Variabler Widerstand Variables elektrisches Feld Induktive Wandlung Proportional zur Auslenkung Proportional zur Geschwindigkeit Sensortechnik 284
285 3.6.1 Mikrofon Elektret-Kondensatormikrofon: Kondensatorprinzip Isolator ist ein Elektretmaterial (Polymer) Quasipermanentes elektrisches Feld durch quasipermanent gespeicherte elektrische Ladungen Benötigt keine Versorgungsspannung Marktanteil ca. 90 % Ausgangsspannung proportional zur Luftspaltdicke Sensortechnik 285
286 3.6.1 Mikrofon Aufbau und Schaltung des Elektret-Mikrofons: Gegenelektrode Luftspalt Elektretfolie Metallisierung +1,5 V )))) U OUT Isolatorgehäuse Sensortechnik 286
287 3.6 Akustische Sensoren Ultrasonic Siehe Kapitel Sensortechnik 287
288 3.7 Sensoren für klimatische Größen Luftdruck Sensortechnik 288
289 3.7.1 Luftdruck Merkmale und Wirkungsweise: Basiert auf dem piezoresistiven Effekt Membran aus Halbleitermaterial (i.d.r. Siliziumsubstrat) Widerstandsänderung durch geometrische Veränderung der Kristallstruktur Sensortechnik 289
290 3.7.1 Luftdruck Aufbau: Sensortechnik 290
291 3.7.1 Luftdruck Technische Daten BMP085: von bis Druckbereich 300 hpa 1100 hpa Größe 5 mm x 5 mm x 1,2 mm Versorgungsstrom 5 μa Temperaturbereich -40 C +85 C Umsetzzeit 3 ms Spannungsbereich 1,8 V 3,6 V Sensortechnik 291
292 3.7.1 Luftdruck Vor- und Nachteile: hohe Auflösung einfache Verdrahtung nahezu hysteresefrei für weiten Druckbereich einsetzbar integriertes Thermometer I 2 C Bus Empfindlichkeit für die Diffusion von Feuchtigkeit (Abhilfe durch Membran beim BMP085) Temperaturabhängigkeit (Abhilfe durch Brückenschaltung) Sensortechnik 292
293 3.7.1 Luftdruck Anwendungen: In- und Outdoor Navigation Freizeit und Sport Wettervorhersage Vertikale Geschwindigkeitsmessung Sensortechnik 293
294 3.7 Sensoren für klimatische Größen Luftfeuchte Sensortechnik 294
295 3.7.2 Luftfeuchte Merkmale des SHT 15: Kapazitiver Feuchtesensor Auch Halbleiter-Temperatursensor Sensor beinhaltet neben CMOS Temperatur- und Feuchtigkeitssensor auch einen Verstärker, einen A/D Umsetzer(14bit) und OTP Speicher (sorgt für vollkalibrierte Digitalausgabe) 2-Kanal Datentransfer (ein Data und einen CLK zur Sloteinteilung/synchronisierung) Zeichnet sich durch hohe Genauigkeit, Langzeitstabilität und geringen Stromverbrauch aus Wirkprinzip: Kapazitive Feuchtigkeitsmessung Sensortechnik 295
296 3.7.2 Luftfeuchte Messverfahren und Aufbau des SHT 15: Kondensator mit hygroskopischem Dielektrikum Kapazitives Messfeld aus zwei Elektroden Quelle: Sensortechnik 296
297 3.7.2 Luftfeuchte Technische Daten (Feuchteabhängigkeit): Minimum Maximum Einheit Auflösung 0.05 % RH bit Genauigkeit +/- 4,5 % RH Wiederholgenauigkeit +/- 0.1 RH Bereich 0 % 100 % RH Ansprechzeit 8 s Langzeitdrift < 0.5 %RH pro Jahr Lagertemperatur C Quellspannung V Sensortechnik 297
298 3.7.2 Luftfeuchte Kennlinie: Sensortechnik 298
299 3.7.2 Luftfeuchte Messgenauigkeit: Vergleich der Feuchtigkeitsmessgenauigkeit der Sensirion SHT1x Serie Sensortechnik 299
300 3.7.2 Luftfeuchte Interface-Anschlüsse: Sensortechnik 300
301 3.7.2 Luftfeuchte Schaltungsschema: Sensortechnik 301
302 3.7.2 Luftfeuchte Arbeitsbereich: humiditysensorsht15.htm Sensortechnik 302
303 3.7 Sensoren für klimatische Größen Kompass Sensortechnik 303
304 3.7.3 Kompass AMR Effekt: Sensor auf Basis des AMR (anisotropen magnetoresistiven) Effekts Widerstandsänderung abhängig von Stärke und Winkel des äußeren Magnetfeldes zum Strom im AMR-Element Widerstandsänderung im Bereich von 2-4% Tritt auf bei: Ferromagnetischen Materialien (z.b. Permalloy) Schichtdicken von nm Sensortechnik 304
305 3.7.3 Kompass Hunt-Element Permalloy-Streifen M I Einfachste Bauform eines AMR-Sensors Häufig werden 2 Hunt Elemente in einer Wheatstonschen Messbrücke verschaltet Nachteil: Polarisationsrichtung des äußeren Magnetfeldes ist nicht erfassbar Kennlinie eines Hunt Elementes in abgeglichener Brückenschaltung (Quelle: Bartos) Sensortechnik 305
306 3.7.3 Kompass Barberpole-Sensor Aufbau eines Barberpole - Sensors(Quelle: TU-BS) Kennlinie eines Barberpole Sensors (Brückenschaltung)(Quelle: Bartos) Einfachste Möglichkeit zur Linearisierung der Kennlinie Polarisation (in Stromrichtung) kann erfasst werden Sensortechnik 306
307 3.7.3 Kompass Messbrücke mit BP-Sensoren Theoretischer Aufbau einer Messbrücke von Barbepole Elementen (Quelle: Wulf) Reeller Aufbau einer Messbrücke von Barberpole Elementen (Quelle: Bartos) Sensortechnik 307
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