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Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert SENSORTECHNIK 1 14 f OUT 10 k 2 DRIVER 13 3 CURRENT-TOFREQUENCYCONVERTER 12 49 4 5 +5V 3900 pF 11 10 500 6 7 2,74 k 6,04 k PRECISION VOLTAGE SOURCE 9 8 2k © F. Schubert 2015 Sensortechnik 1 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 1.1 1.2 Messen nichtelektrischer Größen Einleitung und Definitionen Physikalische Effekte in der Sensortechnik 1.2.1 Piezoelektrischer Effekt 1.2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt 1.2.3 Magnetoresistiver Effekt 1.2.4 Magnetostriktiver Effekt 1.2.5 Effekte der Induktion 1.2.6 Effekte der Kapazität 1.2.7 Gauß-Effekt 1.2.8 Hall-Effekt 1.2.9 Wirbelstrom-Effekt 1.2.10 Thermoelektrischer Effekt 1.2.11 Thermowiderstands-Effekt 1.2.12 Temperatureffekte bei Halbleitern 1.2.13 Pyroelektrischer Effekt 1.2.14 Fotoelektrischer Effekt 1.2.15 Elektrooptischer Effekt 1.2.16 Elektrochemische Effekte 1.2.17 Chemische Effekte 1.2.18 Akustische Effekte 1.2.19 Optische Effekte 1.2.20 Doppler-Effekt © F. Schubert 2015 1.3 Messgrößen 1.3.1 Geometrische Größen 1.3.2 Mechanische Größen 1.3.3 Zeitbasierte Größen 1.3.4 Temperatur 1.3.5 Elektrische Größen 1.3.6 Magnetische Größen 1.3.7 Radiometrische Größen 1.3.8 Fotometrische Größen 1.3.9 Akustische Größen 1.3.10 Klimatische und meteorologische Größen 1.3.11 Chemische Größen 1.4 Einheiten und Naturkonstanten 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 Sensortechnik Das SI-System Darstellung der Größe SI-System und Naturkonstanten Überblick und Umrechnungen 2 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Sensorsignalverarbeitung Einführung Sensorschaltungen mit Operationsverstärker Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale Anwendungsbeispiele 2.4.1 Zweidraht Spannung/Strom Messumformer 2.4.2 Temperatur-Frequenz-Umsetzer mit einem VFC 2.5 Linearisierung 2.5.1 Analoge Linearisierung 2.5.1 Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen 2.5.2 Linearisierung mit Operationsverstärker 2.5.2 Digitale Linearisierung 2.6 Umsetzer 2.6.1 2.6.2 Digital/Analog-Umsetzer Analog/Digitale-Umsetzer © F. Schubert 2015 Sensortechnik 3 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3 3.1 Ausgewählte Sensoren Weg- und Abstandsmessung 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 Kraftsensor DMS Vibrationssensor Flexsensor 3.4 3.6 Akustische Sensoren 3.6.1 Mikrofon 3.6.2 Ultrasonic 3.7 Sensoren für klimatische Größen 3.7.1 Luftdruck 3.7.2 Luftfeuchte 3.7.3 Kompass Temperatursensoren 3.3.1 NTC 3.3.2 SHT 15 Fotometrische Sensoren 3.5.1 Fotowiderstand 3.5.2 Fotodiode und -transistor 3.5.3 PIR Sensoren für mechanische Größen 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 Resistiv, kapazitiv und induktiv SoftPot Ultraschall Infrarot Koordinatenmessgerät 3.5 3.8 Sonstige Sensoren 3.8.1 Kapazitiver Sensor 3.8.2 Reed-Schalter Sensoren für zeitbasierte Größen 3.4.1 Beschleunigungssensor 3.2.2 Drehraten (Giro) 3.2.3 Realtime Clock (RTC) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 4 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.1 Einleitung und Definitionen © F. Schubert 2015 Sensortechnik 5 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Sinnesorgane des Menschen 1. Klassisch: Sehen Hören Riechen Schmecken Tasten © F. Schubert 2015 Sensortechnik 6 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Sinnesorgane des Menschen 2. Erweitert: Wahrnehmung von Bewegung Gleichgewichtssinn Temperaturempfinden Schmerzempfinden …… © F. Schubert 2015 Sensortechnik 7 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Eine externe physikalische Größe in ein für uns verständliches Format umwandeln Für technische Geräte gilt das ebenso! © F. Schubert 2015 Sensortechnik 8 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Beispiel: Smartphone Position Beschleunigung Drehung Berührung Bewegung Akustik Optik Zeit ……. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 9 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Informationsraum Physikalischer Raum Sensor Signalraum © F. Schubert 2015 Sensortechnik 10 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Nichtelektrische Eingangsgröße © F. Schubert 2015 Elektrisches Signal SensorAusgangssignal Sensorelement Elektronik Störgrößen Störgrößen Sensortechnik 11 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Smart Sensor HE Y1 X S X: Messgröße Y2 SC Y3 DV Y: Ausgangssignal DV: Datenverarbeitung M: Monitor S: Sensor HE: Hilfsenergie SC: Signal Converter Y1..Y3: Messsignale © F. Schubert 2015 Sensortechnik M Y 12 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 13 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Ableitung aus dem lateinischen Wort „sentire“. Norm für die Messtechnik (DIN-1319-1: 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 14 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert DIN 1319-1 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 15 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert DIN 1319-1 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 16 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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, …. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 17 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 18 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 19 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 20 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 21 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 22 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Auswahlkriterien: Vorgehensweise: 1. Anforderungsanalyse 2. Vorauswahl von Messprinzipien 3. Mögliche Sensoren 4. Vergleichstabelle 5. Bewertung und Auswahl © F. Schubert 2015 Sensortechnik 23 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Anforderungsliste: • • • • • • • • • • • • • Material des Messobjektes Geometrie des Messobjektes und Art der Erfassung (punktförmig, linienförmig, flächig, volumetrisch) Robustheit gegen zu erwartende Störeinflüsse (Verschmutzung, EMV bei ElektroSchweißvorgängen) 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) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 24 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.2 Physikalische Effekte in der Sensortechnik 1.2.1 Piezoelektrischer Effekt 1.2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt 1.2.3 Magnetoresistiver Effekt 1.2.4 Magnetostriktiver Effekt 1.2.5 Effekte der Induktion 1.2.6 Effekte der Kapazität 1.2.7 Gauß-Effekt 1.2.8 Hall-Effekt 1.2.9 Wirbelstrom-Effekt 1.2.10 Thermoelektrischer Effekt 1.2.11 Thermowiderstands-Effekt 1.2.12 Temperatureffekte bei Halbleitern 1.2.13 Pyroelektrischer Effekt 1.2.14 Fotoelektrischer Effekt 1.2.15 Elektrooptischer Effekt 1.2.16 Elektrochemische Effekte 1.2.17 Chemische Effekte 1.2.18 Akustische Effekte 1.2.19 Optische Effekte 1.2.20 Doppler-Effekt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 25 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Physikalisches Prinzip Messgrößen Widerstandsänderung Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehmoment, Magnetfeld, Licht, Temperatur, radioaktive Strahlung und Gaskonzentration Induktivitätsänderung Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehzahl (Spulenabstand, Kernverschiebung, Dämpfung) Kapazitätsänderung Längen-, Kraft- und Druckmessung, Drehzahl (Plattenabstand, Plattengröße, Dielektrikum) (Feldänderung, Bewegung) Thermoelektrischer Effekt Temperaturmessung (Thermoelement) Piezoelektrischer Effekt Längen-, Kraft- und Druckänderungsmessung (Piezokristall) Fotoelektrischer Effekt Lichtintensität, Drehzahl, Drehwinkel (Foto- Widerstand, -Diode, -Transistor) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 26 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Physikalische Effekte in der Sensortechnik 1. 2. 3. Piezoelektrischer Effekt Resistiver und piezoresistiver Effekt Magnetoresistiver Effekt 4. 5. 6. Magnetostriktiver Effekt Effekte der Induktion Effekte der Kapazität 7. 8. 9. Gauß-Effekt Hall-Effekt Wirbelstrom-Effekt 10. 11. 12. Thermoelektrischer Effekt Thermowiderstands-Effekt Temperatureffekte bei Halbleitern 13. 14. 15. 16. Pyroelektrischer Effekt Fotoelektrischer Effekt Elektrooptischer Effekt Elektrochemische Effekte 17. 18. Chemische Effekte Akustische Effekte 19. 20. Optische Effekte Doppler-Effekt © F. Schubert 2015 Hering/Schönfelder: Sensoren in Wissenschaft und Technik Vieweg und Teubner, 2012 Sensortechnik 27 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.1 Piezoelektrischer Effekt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 28 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Fx Fx + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + Fx Scheiben - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + Longitudinal-Piezoeffekt Fx - Piezo-Batterie QX = d · F X © F. Schubert 2015 Sensortechnik 29 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert lx Fy - + + + + + + + ly + Fy - QY = d · FY · (lY / lX) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 30 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Materialien: Piezoelektrische Kristalle (SiO2, Turmalin, LiNbO3, LiTaO3, GaPO4, BaTiO3, …) Piezoelektrische Keramiken (PZT) Sonstige (ZnO, AlN, PVDF) Anwendungen: Kraft, Drehmoment, Druck Beschleunigung, Vibration, Schwingungsanalyse Gaskonzentration © F. Schubert 2015 Sensortechnik 31 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 32 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert A l R = l/(σ · A) R = ρ · l/A ΔR/R = k· Δl/l = k · ε © F. Schubert 2015 Sensortechnik 33 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Piezoresistiver Effekt Im Siliziumkristall sind die Änderungen des spezifischen elektrischen Widerstands richtungsabhängig Materialien: Silizium Anwendungen: Kraft, Drehmoment, Druck, Dehnung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 34 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.3 Magnetoresistiver Effekt Änderung des elektrischen Widerstands eines Werkstoffs durch ein äußeres Magnetfeld ΔR/R = [R(H) – R(0)]/R(0) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 35 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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%) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 36 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 37 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.4 Magnetostriktiver Effekt Längenänderung eines ferromagnetischen Materials durch ein äußeres Magnetfeld (Magnetostriktion). Ausrichtung der Weiß‘schen Bezirke © F. Schubert 2015 Sensortechnik 38 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Materialien: Fe90Al4: Δl/l· 10-6 = 24 Fe60Co40: Fe83Ga70: FeTb0,3Dy0,7Fe2: Fe70Pd30: NiMnGa: Δl/l· 10-6 = 147 Δl/l· 10-6 = 207 Δl/l· 10-6 = 1.600 Δl/l· 10-6 = 12.000 Δl/l· 10-6 = 50.000 Anwendungen: Weg, Position, Geschwindigkeit, Füllstand Zug- und Druckkraft, Drehmoment Ultraschall © F. Schubert 2015 Sensortechnik 39 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.5 Effekte der Induktion Induktionsgesetz Spulen im Wechselstromkreis Uind = - dΦ/dt Φ = ∫B dA B = μ0 · μr · (N · I) / l Φ = ∫B dA = B · A = μ0 · μr · A · (N · I) / l = L· I/N © F. Schubert 2015 Sensortechnik 40 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert A r l L = N2 · μ · A / l mit μ = μ0 · μr μ0 = 4 π · 10-7 Vs/(Am) μr = 1 für Luft, 1600 für Dynamoblech IV © F. Schubert 2015 Sensortechnik 41 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Anwendungen: KFZ: Drehzahl, Position, Niveau, Winkel Automatisierungstechnik: Erkennung, Position, Abstand, Breite, Dicke, Verformung, Vibration Sonstige: Vakuum, Leitfähigkeit, Durchfluss © F. Schubert 2015 Sensortechnik 42 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.6 Effekte der Kapazität Kapazität im Gleichstromkreis Kapazität im Wechselstromkreis C = Q/U © F. Schubert 2015 Sensortechnik 43 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert A r d C = ε · A / d mit ε = ε0 · εr ε0 = 8,854 · 10-12 F/m εr = 1 für Luft, 81 für Wasser © F. Schubert 2015 Sensortechnik 44 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Materialien: Vakuum, Luft: εr = 1 Papier: Porzellan: Al2O3: Wasser: Keramik: εr = 2,3 εr = 4,5 εr = 12 εr = 81 εr = 10 bis 104 Anwendungen: Materialerkennung, Größe, Position, Abstand, Weg, Füllstand Beschleunigung, Vibration, Druck Touchpads, Feuchte © F. Schubert 2015 Sensortechnik 45 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 46 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.8 Hall-Effekt Leiter oder Halbleiter im Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung Ablenkung durch Lorentz-Kraft Hallspannung durch Ladungstrennung Hall-Koeffizient AH Hall-Widerstand RH © F. Schubert 2015 Sensortechnik 47 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert B UH I b I d a UH = I · B · AH / d = I · RH © F. Schubert 2015 Sensortechnik 48 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Materialien: Kupfer: AH = -5,5 · 10-11 m3/C Silber: Caesium: Cadmium: Zinn: Beryllium: Wismut: Silizium/Germanium: Indium-Antimonid: Indium-Arsenid: AH = -8,4 · 10-11 m3/C AH = -28 · 10-11 m3/C AH = +6 · 10-11 m3/C AH = +14 · 10-11 m3/C AH = +24,4 · 10-11 m3/C AH = -5 · 10-7 m3/C AH = +1 · 10-3 bis +1 · 10-1 m3/C AH = -2,4 · 10-4 m3/C AH = -10-4 m3/C © F. Schubert 2015 Sensortechnik 49 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Anwendungen: Magnetfeld, Strom kontaktlose Signalgeber Position Bewegung Dicke © F. Schubert 2015 Sensortechnik 50 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.9 Wirbelstrom-Effekt Wechselwirkung zwischen Leiter und Magnetfeld Entstehung von Wirbelströmen Wirbelströme erzeugen eigenes Magnetfeld © F. Schubert 2015 Sensortechnik 51 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Anwendungen: Position, Weg, Abstandsmessung Schwingung, Drehzahl, Rundlauf, Lage Verschleiß, Dicke, Leitfähigkeit, Korrosion Rissprüfung Sortieren Ferritgehalt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 52 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.10 Thermoelektrischer Effekt Thermodiffusion der Elektronen Elektronendichte an der wärmeren Seite ist geringer Potenzialunterschied: Thermospannung UTH © F. Schubert 2015 Sensortechnik 53 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert T M T R U Cu-Konstantan Fe-Konstantan Ni/Cr-Ni Pt/Rh-Pt W/5%Rh-W/26%Rh Temperaturbereich / K 20 bis 700 20 bis1000 70 bis 300 270 bis1900 270 bis 2700 Thermoelektrische Kraft / mV/K 0,023...0,0699 0,034...0,069 0,041...0,036 0,006...0,012 0,01....0,019 (Konstantan: 55Cu/44Ni/1Mn) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 54 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.11 Thermowiderstands-Effekt Elektrischer Widerstand ist von der Temperatur abhängig R(T) = R0 ∙ (1 + α(T – T0) + β(T –T0)2) Materialien: Platin: -220 °C bis 1000 °C Nickel: Kupfer: -60 °C bis 180 °C -50 °C bis 150 °C © F. Schubert 2015 Sensortechnik 55 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.12 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: BaTiO3 , SrTiO3 Fe2O3, MgCr2O4 , A2+B3+2O2-4 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 56 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.13 Pyroelektrischer Effekt Ladungsänderung unter Wärmeeinfluss Elektrische Polarisation ist eine Funktion der Temperatur ΔP = kP ∙ ΔT © F. Schubert 2015 Sensortechnik 57 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Materialien: Pyroelektrische Kristalle: LiTaO3, BaTiO3 Pyroelektrische Keramiken: PZT Pyroelektrische Kunststoffe: Polyvinylidenfluorid (PVDF) Anwendungen: Bewegung, Identifikation, Zählen Wärmebelastung, Temperatur, Lichtschranken Schadstoffe, Reaktionswärme, Strahlungsenergie © F. Schubert 2015 Sensortechnik 58 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.14 Fotoelektrischer Effekt Lichtquant (Photon) wird von einem Elektron absorbiert Äußerer Fotoeffekt: Auslösen von Elektronen Innerer Fotoeffekt: Elektronen gehen vom Valenzband ins Leitungsband © F. Schubert 2015 Sensortechnik 59 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert h * Lichtquant h * Lichtquant Elektron Elektron Metallplatte Halbleiter innerer Fotoeffekt äußerer Fotoeffekt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 60 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert h * N P + Halbleiterkristall Umgekehrter Fotoeffekt: LED © F. Schubert 2015 Sensortechnik 61 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Elemente: Fotoelement Fotodiode Fotowiderstand Fototransistor Fotothyristor Anwendungen: Optokoppler Lichtschranken, Lichttaster Lichtmessung, Farberkennung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 62 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.15 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 63 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.16 Elektrochemische Effekte Zusammenhang zwischen Stoff- und Ladungstransport Umweltdiagnostik Kontrolle von Prozessen Arbeitsplatzsicherheit © F. Schubert 2015 Sensortechnik 64 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.17 Chemische Effekte Wechselwirkung von Gasen und Festkörpern © F. Schubert 2015 Sensortechnik 65 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.18 Akustische Effekte Schallwellen Absorption, Reflexion, Transmission © F. Schubert 2015 Sensortechnik 66 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.19 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, CMOSBildsensoren, CCD © F. Schubert 2015 Sensortechnik 67 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.2.20 Doppler-Effekt Frequenzverschiebung bei bewegten Objekten Anwendungen: Astronomie Navigation Geschwindigkeitsmessung Schwingungsanalyse Medizintechnik © F. Schubert 2015 Sensortechnik 68 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.3 Messgrößen 1.3.1 Geometrische Größen 1.3.2 Mechanische Größen 1.3.3 Zeitbasierte Größen 1.3.4 Temperatur 1.3.5 Elektrische Größen 1.3.6 Magnetische Größen 1.3.7 Radiometrische Größen 1.3.8 Fotometrische Größen 1.3.9 Akustische Größen 1.3.10 Klimatische und meteorologische Größen 1.3.11 Chemische Größen © F. Schubert 2015 Sensortechnik 69 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.1 Geometrische Größen Weg, Abstand Winkel, Drehbewegung, Neigung Objekterfassung 3D-Messung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 70 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.2 Mechanische Größen Masse, Kraft Dehnung Druck Drehmoment Härte © F. Schubert 2015 Sensortechnik 71 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.3 Zeitbasierte Größen Zeit Frequenz Pulsbreite Phase, Laufzeit Drehzahl, Drehwinkel Geschwindigkeit, Beschleunigung Durchfluss © F. Schubert 2015 Sensortechnik 72 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.4 Temperatur © F. Schubert 2015 Sensortechnik 73 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.5 Elektrische Größen Spannung, Stromstärke Ladung, Kapazität Leitfähigkeit, Widerstand Feldstärke Energie, Leistung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 74 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.6 Induktive Größen Magnetische Feldstärke © F. Schubert 2015 Sensortechnik 75 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.7 Radiometrische Größen Energiedichte Strahlungsleistung Strahlstärke © F. Schubert 2015 Sensortechnik 76 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.8 Fotometrische Größen Lichtstrom, Lichtmenge, Lichtstärke Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke Lichtausbeute Farbe © F. Schubert 2015 Sensortechnik 77 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.9 Akustische Größen Schalldruck Schallpegel © F. Schubert 2015 Sensortechnik 78 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.10 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 79 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.3.11 Chemische Größen Redoxpotenzial Ionen Gase Elektrolytische Leitfähigkeit © F. Schubert 2015 Sensortechnik 80 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 Messen nichtelektrischer Größen 1.4 Einheiten und Naturkonstanten 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 © F. Schubert 2015 Das SI-System Darstellung der Größe SI-System und Naturkonstanten Überblick und Umrechnungen Sensortechnik 81 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.4.1 Das SI-System SI: Système international d’unités SI-Basisgrößen: Länge, Masse, Zeit, elektrische Stromstärke, thermodynamische Temperatur, Stoffmenge, Lichtstärke SI-Basiseinheiten: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere Kelvin, Mol, Candela © F. Schubert 2015 Sensortechnik 82 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Basisgröße Name Einheitenzeichen Definition Länge Meter m Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von (1/299792 458) 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 9192 631 770 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 2 · 10-7 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 540 · 1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 83 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert SI-BASISGRÖSSEN SI-BASISEINHEITEN ABGELEITETE SI-EINHEITEN MIT BESONDEREM NAMEN rad sr m2 Länge m Meter Masse kg Kilogramm J N Pa Hz Zeit elektrische Stromstärke s Sekunde W rad Wb C F V A Ampere K Kelvin Stoffmenge mol Mol S Lichtstärke cd Candela thermodynamische Temperatur © F. Schubert 2015 T lm lx Sensortechnik 84 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 85 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 1 0 © F. Schubert 2015 100 Sensortechnik 86 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 87 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Name Symbol Zahlenwert Zehnerpotenz Einheit relative Unsicherheit Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum c 2,997 924 58 108 m·s–1 exakt Plancksches Wirkungsquantum, h 6,626 068 96(33) 10–34 J·s 5,0·10–8 Planck-Konstante ħ 1,054 571 628(53) 10–34 J·s 5,0·10–8 Elementarladung e 1,602 176 487(40) 10–19 C 2,5·10–8 Boltzmann-Konstante k 1,380 6504(24) 10–23 J·K–1 1,7·10–6 Avogadro-Konstante NA 6,022 141 79(30) 1023 mol–1 5,0·10–8 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 88 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1.4.4 Überblick und Umrechnungen Größe Einheit Zeichen Fläche Quadratmeter m2 Volumen Kubikmeter m3 Ableitung Geschwindigkeit m/s Beschleunigung m/s2 © F. Schubert 2015 Sensortechnik Erläuterung Fläche von 1m * 1m Würfel von 1m * 1m * 1m In 1 s 1 m zurücklegen In 1s die Geschwindigkeit um 1 m/s erhöhen 89 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Größe Einheit Zeichen Ableitung Erläuterung ebener Winkel Radiant rad 1 rad = 1 m/1m räumlicher Winkel Steradiant sr 1 sr = 1 m²/1m² Kraft Newton N 1 N = 1 kgm/s² Energie Arbeit Wärmemenge Joule J 1 J = 1 Nm = 1 Ws 1 m Bogen aus Kreis mit 1 m Radius 1 m² Kugelfläche bei 1 m Radius 1 kg um 1 ms-2 beschleunigen mit Kraft 1 N um 1 m verschieben Leistung Watt W 1 W = 1 Nm/s = 1 J/s 1 Pa = 1 N/m² 1 Hz = s-1 1 V = 1 W/A Druck Pascal Frequenz Hertz elektrische Spannung Volt Pa Hz V magnetischer Fluss Wb © F. Schubert 2015 Weber 1 Wb = 1 Vs = 1 Tm² Sensortechnik 1 s lang 1 J aufbringen 1 N auf 1 m² Fläche 1 Periode pro s Spannungsabfall bei 1 A und 1 W Induktion von 1 V bei gleichmäßiger Abschwächung auf 0 in 1 s 90 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Größe Einheit Zeichen Ableitung Erläuterung Induktivität Henry H 1 H = 1 Wb/A = 1 Vs/A = 1 s Induktivität geschlossener Windungen bei 1 A und 1 Wb magnetische Tesla T 1 T = 1 Wb/m² Coulomb Farad C F Aufladung auf 1 V durch 1 C Ohm 1 C = 1 As 1 F = 1 C/V = 1 As/V 1 = 1 V/A = S-1 Flußdichte Ladung Kapazität elektrischer Widerstand 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 91 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert cm m km Zoll Fuß mile cm 1 0,01 1*10-5 0,3937 0,03281 6,214*10-6 m 100 1 0,001 39,37 3,281 6,214*10-4 km 1*105 1000 1 3,937*104 3281 0,6214 Zoll 2,54 0,0254 2,54*10-4 1 0,08333 1,58*10-6 Fuß 30,48 0,3048 3,048*10-3 12 1 1,896*10-5 mile 1,609*105 1609 1,609 6,335*104 5280 1 Länge 1 inch = 1 Zoll = 25,4 mm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 92 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert cm2 m2 km2 (Zoll)2 (Fuß)2 mile2 cm2 1 1*10-4 1*10-10 0,155 0,001076 0,386*10-10 m2 1*104 1 1*10-6 1550 10,76 0,386*10-6 km2 1*1010 1*106 1 1,55*109 1,076*107 0,386 in2 (Zoll)2 6,452 6,452*10-4 6,452*10-10 1 6,94*10-3 2,49*10-10 ft2 (Fuß)2 929 0,0929 9,29*10-8 144 1 3,59*10-8 mile2 2,59*1010 2,59*106 2,59 4,01*109 2,785*107 1 Fläche © F. Schubert 2015 Sensortechnik 93 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert cm3 liter m3 (Zoll)3 (Fuß)3 gal cm3 1 0,001 1*10-4 0,06102 3,53*10-4 2,64*10-4 liter 1000 1 0,001 61,02 0,03532 0,2642 m3 1*104 1000 1 6,102*104 35,32 264,2 in3 (Zoll)3 16,39 0,01639 1,639*10-4 1 5,79*10-4 0,00433 ft3 (Fuß)3 2,83*104 28,32 0,02832 1728 1 7,481 gal 3785 3,785 0,003785 231 0,1337 1 Volumen © F. Schubert 2015 Sensortechnik 94 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Druck mm Hg inch Hg inch H2O ft H2O atm lb/in.2 kg/cm2 mm Hg 1 0,03937 0,5353 0,0446 0,00132 0,01934 0,00136 inch Hg 25,4 1 13,6 1,133 0,03342 0,4912 0,03453 inch H2O 1,868 0,07355 1 0,06333 0,00246 0,03613 0,00254 ft H2O 22,42 0,8826 12 1 0,0295 0,4335 0,03048 atm 760 29,92 406,8 33,9 1 14,7 1,033 lb/in.2 51,71 2,036 27,67 23,07 0,06805 1 0,07031 kg/cm2 735,6 28,96 393,7 32,81 0,9678 14,22 1 1 Pa = 1 N/m2 = 1*10-5 bar = 9,869*10-6 atm 1 Torr = 1/760 atm = 1 mm Hg 1000 psi = 70,31 bar © F. Schubert 2015 Sensortechnik 95 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert l/s gal/min ft3/s ft3/min l/s 1 15,85 0,03532 2,119 gal/min 0,06309 1 0,00223 0,1337 ft3/s 28,32 448,8 1 60 ft3/min 0,4719 7,481 0,01667 1 Durchfluss TC/°C = 5/9*(TF/°F - 32) TF/°F = 1,8*TC/°C + 32 TK/K = TC/°C + 273,15 TC/°C = TK/K - 273,15 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 96 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Sensorsignalverarbeitung Einführung Sensorschaltungen mit Operationsverstärker Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale Anwendungsbeispiele 2.4.1 Zweidraht Spannung/Strom Messumformer 2.4.2 Temperatur-Frequenz-Umsetzer mit einem VFC 2.5 Linearisierung 2.5.1 Analoge Linearisierung 2.5.1 Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen 2.5.2 Linearisierung mit Operationsverstärker 2.5.2 Digitale Linearisierung 2.6 Umsetzer 2.6.1 2.6.2 Digital/Analog-Umsetzer Analog/Digitale-Umsetzer © F. Schubert 2015 Sensortechnik 97 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 Sensorsignalverarbeitung 2.1 Einführung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 98 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert S: Sensor SC: Signalumsetzer Physikalischer Raum R: Regler A: Stellglied A Informationsraum S SC S SC R Signalraum © F. Schubert 2015 Sensortechnik 99 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R3 R1 UH UD U4 R4 © F. Schubert 2015 U2 Sensortechnik R2 100 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert RZ R3 UB UH RM RV R2 R4 © F. Schubert 2015 R1 UD Sensortechnik 101 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 Sensorsignalverarbeitung 2.2 Sensorschaltungen mit Operationsverstärker © F. Schubert 2015 Sensortechnik 102 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Konstantspannungsquelle R2 R1 U0 Z I| UA ZO| © F. Schubert 2015 Sensortechnik 103 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Stromquelle I = const. RL © F. Schubert 2015 Sensortechnik UA 104 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R(T) R1 U0 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 105 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert RC IC UD U0 UB UP © F. Schubert 2015 RE Sensortechnik 106 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert RD ID U 0 U B UP © F. Schubert 2015 RS Sensortechnik 107 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Summierer R3 RA IA R2 I3 U 3 © F. Schubert 2015 U 2 I2 I1 R1 UA U 1 Sensortechnik 108 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Differenzverstärker R R4 3 U A U 2 © F. Schubert 2015 R1 U 1 UN Sensortechnik R2 UP 109 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Elektrometersubtrahierer © F. Schubert 2015 Sensortechnik 110 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert U UD2 2 R1 R2 R4 R3 UD R4 U A UD1 R1 U 1 © F. Schubert 2015 UA2 R2 UA1 Sensortechnik 111 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Logarithmierer UAK R U E © F. Schubert 2015 U A Sensortechnik 112 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Anti-Logarithmierer R UAK U E © F. Schubert 2015 U A Sensortechnik 113 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Aktive Brücke mit Widerstandssensor R Rx 1 U 0 U A R1 R0 UN © F. Schubert 2015 Sensortechnik UP 114 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Aktive Brücke mit Diodensensor R 1 UD D U 0 U A R1 © F. Schubert 2015 Sensortechnik R0 115 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Stromquelle mit Grundgrößenkompensation © F. Schubert 2015 Sensortechnik 116 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R RI RE UB UA U0 © F. Schubert 2015 RK U(T) Sensortechnik 117 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 Sensorsignalverarbeitung 2.3 Spezielle Verstärker für kleine Sensorsignale © F. Schubert 2015 Sensortechnik 118 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert AUTO-ZERO-VERSTÄRKER © F. Schubert 2015 Sensortechnik 119 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert DEMOD. CHOPPER AC-AMP. FREQUENZGENERATOR ZERHACKER-VERSTÄRKER © F. Schubert 2015 Sensortechnik 120 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert LOCK-IN-VERSTÄRKER Messsignal Bandpassfilter Multiplizierer Referenzsignal Tiefpassfilter Ausgangssignal Phasenschieber © F. Schubert 2015 Sensortechnik 121 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 Sensorsignalverarbeitung 2.4 Anwendungsbeispiele © F. Schubert 2015 Sensortechnik 122 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2.4.1 Zweidraht Spannung/Strom-Messumformer AD 693 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 123 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 5V R 7805 2 R 1 U IN R 3 R 4 US R S U B R L © F. Schubert 2015 Sensortechnik 124 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2.4.2 Temperatur-Frequenz-Umsetzung mit einem VFC AD 537 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 125 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 1 14 f OUT 10 k 49 2 DRIVER 13 3 CURRENT-TOFREQUENCYCONVERTER 12 +5V 3900 pF 4 11 5 10 500 6 UT 7 2,74 k © F. Schubert 2015 6,04 k 2k PRECISION VOLTAGE SOURCE 9 8 UR Sensortechnik 126 Prof. Dr. Franz Schubert (2.41) Prof. Dr. Franz Schubert ; 2.5 Linearisierung ; 2.5.1 Analoge Linearisierung 2.5.1.1 Linearisierung durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Festwiderständen KTY81 R R25 (1 2 ) 0,78 102 K 1 1,84 105 K 2 25 O C R25 R bei 25 o C 1000 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 127 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R(θ) / Ω 2500 2000 1500 1000 500 -40 -20 0 © F. Schubert 2015 20 40 60 80 100 120 140 Sensortechnik θ / °C 128 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert RL R(Θ) RL I © F. Schubert 2015 R(Θ) U A U Sensortechnik U A 129 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R R(Θ) RL Θ ΘM © F. Schubert 2015 Sensortechnik 130 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert © F. Schubert 2015 Sensortechnik 131 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert © F. Schubert 2015 Sensortechnik 132 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Steigung im Punkt mT' = JM : RL × RJM (RJM + RL )2 = ( ) )+ R ) RL × R25 × 1 + a × DJ M + b × DJ M2 (R × (1 + a × DJ 25 M +b × DJ M2 2 =b L Ersatzgerade: æ RJM mL = çç - b × DJ M R + R J M L è J M / oC -55 0 25 100 150 © F. Schubert 2015 ö ÷÷ + b × DJ ø RL / kW 0,8 1,8 2,3 4,4 6,1 Sensortechnik 133 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2.5.1.2 Linearisierung mit Operationsverstärker UX= - UE UX UA X UA -1 UE X © F. Schubert 2015 Sensortechnik UE 134 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert R10 R20 R11 D11 D12 R12 UE D21 D22 R22 R`21 R`11 R21 R`22 R`12 UREF2 UREF1 © F. Schubert 2015 Sensortechnik UA 135 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert UX / V -UE / V 12 10 8 6 4 2 X 0 © F. Schubert 2015 2 4 6 8 10 Sensortechnik 12 14 16 UA / V 136 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert -UE/V UA/V Bereich -v´ R1 R2 0 A B C D E © F. Schubert 2015 Sensortechnik 137 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Berechnung der R’ij: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 138 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2.5.2 Digitale Linearisierung S ADC EPROM DAC S ADC μC DAC P R O G R A M M © F. Schubert 2015 Sensortechnik 139 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2 Sensorsignalverarbeitung 2.6 Umsetzer 2.6.1 Digital/Analog-Umsetzer © F. Schubert 2015 Sensortechnik 140 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert DAU mit gewichteten Widerständen 2R 4R 8R 16 R R U REF z 3 z 2 z 1 MSB © F. Schubert 2015 z 0 U A LSB Sensortechnik 141 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert DAU mit Leiter-Netzwerk 2R U REF 2 U REF 4 U REF 8 R R R 2R 2R 2R 2R R U REF z 3 z 2 z MSB © F. Schubert 2015 1 z 0 U A LSB Sensortechnik 142 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Switched Capacitor DAU 1 1 S 0 2 S 1 2 3 3 U A U REF © F. Schubert 2015 C C Sensortechnik 143 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 2.6.2 Analog/Digital-Umsetzer © F. Schubert 2015 Sensortechnik 144 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Flash ADC U REF R/2 K7 COMP U 1D z 2 C1 E DECODER R COMP z 1 1D z 0 C1 K6 R COMP 1D C1 R/2 © F. Schubert 2015 K1 Sensortechnik 145 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Kaskaden ADC A D S&H A D + - + D A U E U REF MSB © F. Schubert 2015 Sensortechnik LSB 146 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert ADC mit SAR S&H COMP D SAR U E f=1/T D U DAU (Z) A U © F. Schubert 2015 Z REF Sensortechnik 147 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Tracking ADC COMP D ZÄHLER U E f=1/T D U DAU (Z) A U © F. Schubert 2015 Z REF Sensortechnik 148 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Dual Slope ADC S 3 C S 1 R COMP S U E Steuerung 2 U (t) I RCO U REF & ZÄHLER f=1/T Z © F. Schubert 2015 Sensortechnik 149 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert VFC S C R COMP U Steuerung f E U REF SOC © F. Schubert 2015 Sensortechnik 150 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Sigma-Delta ADC COMP Bitstrom U E D A U © F. Schubert 2015 Sensortechnik REF 151 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Sigma-Delta ADC Gegeben ist folgender Sigma-Delta-ADC. UA wird synchron mit der ansteigenden Flanke des CLK-Signals gesetzt. Es gilt: -0,8 V UE +0,8 V, B = A dt B < 0: UA = 0, C = -0,8 V B 0: UA = 1, C = +0,8 V B A + + COMP INTEGRATOR Σ - U C U A E + 0,8 V - 0,8 V CLK Zeichnen Sie für UE = -0,2 V die zeitlichen Verläufe von B und UA und kennzeichnen Sie eine Periode von UA. Die Startbedingung ist B = 0 V. (mögliche Werte von A: -0,2 V – 0,8 V und -0,2 V + 0,8 V) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 152 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert Sigma-Delta ADC B 0 t CLK t U 1 A 0 t © F. Schubert 2015 Sensortechnik 153 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3 3.1 Ausgewählte Sensoren Weg- und Abstandsmessung 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 Kraftsensor DMS Vibrationssensor Flexsensor 3.4 3.6 Akustische Sensoren 3.6.1 Mikrofon 3.6.2 Ultrasonic 3.7 Sensoren für klimatische Größen 3.7.1 Luftdruck 3.7.2 Luftfeuchte 3.7.3 Kompass Temperatursensoren 3.3.1 NTC 3.3.2 SHT 15 Fotometrische Sensoren 3.5.1 Fotowiderstand 3.5.2 Fotodiode und -transistor 3.5.3 PIR Sensoren für mechanische Größen 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 Resistiv, kapazitiv und induktiv SoftPot Ultraschall Infrarot Koordinatenmessgerät 3.5 3.8 Sonstige Sensoren 3.8.1 Kapazitiver Sensor 3.8.2 Reed-Schalter Sensoren für zeitbasierte Größen 3.4.1 Beschleunigungssensor 3.2.2 Drehraten (Giro) 3.2.3 Realtime Clock (RTC) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 154 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3 Ausgewählte Sensoren 3.1 Weg- und Abstandsmessung 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv © F. Schubert 2015 Sensortechnik 155 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Potenziometer, Spannungsteiler UA x U0 l Veränderung der Kondensatorfläche CA x © F. Schubert 2015 C0 l Sensortechnik 156 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Differenzialtransformator (LVDT: Linear Variable Differential Transformer) x M1 L21 uA L1, R1 uE(t) L22 M2 uE (t ) uˆE cos t © F. Schubert 2015 u A uˆ E Sensortechnik jM 2 ( x) M 1 ( x) R1 jL1 157 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.1 Resistiv, kapazitiv und induktiv Blockschaltbild der Auswerteelektronik Oszillator Amplitudenregelung Demodulator Phasenregelung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 158 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 159 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.2 SoftPot Oberschicht aus Silber Abstandsschicht Anschlussleitungen Unterschicht Carbonschicht © F. Schubert 2015 Sensortechnik 160 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.2 SoftPot Top layer with silver shunt Space layer Bottom layer with conductive carbon Ohne Druck Mit Druck © F. Schubert 2015 Sensortechnik 161 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Flex/SoftPot-Datasheet.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 162 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 © F. Schubert 2015 Ultraschall Sensortechnik 163 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Ultraschall • 20 kHz – 10 MHz • Geschwindigkeit abhängig vom Medium – Wasser: 0,998203 g/cm3 1464 m/s – Luft: 0,0012 g/cm3 331 m/s • Bei Gasen zusätzlich temperatur- und feuchtigkeitsabhängig • Wellenförmige Ausbreitung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 164 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Physikalisches Prinzip Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Laufzeitmessung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 165 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Physikalisches Prinzip Abstand: r= v*Δt/2 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 166 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Ultraschallwandler Auskoppelfolie Metallring Piezoscheibe Gehäuse © F. Schubert 2015 Sensortechnik 167 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Funktionsweise Objekt Steuerung ))) ) Taktgenerator (( ( ( Auswertung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 168 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall LV-MaxSonar EZ1 High Performance Sonar Range Finder MaxBotix ®Inc. 19,9 mm ∙ 22,1 mm ∙ 15,5 mm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 169 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Charakteristik • • • • • • • Reichweite: < 6,5 m Auflösung: 25,4 mm Vcc: 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 170 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Pin Funktion RX Serieller Eingang TX Für BW low/unconnected: RS232 ASCII 9600Baud 81N (8bits, no parity, one stop bit) AN Ausgang Analogsignal Vcc/512/inch PW BW Ausgang Pulsweitensignal 147µs/inch © F. Schubert 2015 Sensortechnik 171 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall MESSBEREICH Zylinderstift mit: (A) (B) (C) (D) (D) 0.3 cm 0.6 cm 2.5 cm 8.3 cm (C) 10 ft. 5 ft. (B) (A) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 172 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall EZ1: SCHALTUNG Impedanzwandler Chip Sender/Empfänger Wechselspannungsverstärker und Gleichrichter Glätten und verstärken RC-Filter © F. Schubert 2015 Sensortechnik 173 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.3 Ultraschall Beispiel mit ARDUINO BW © F. Schubert 2015 Sensortechnik 174 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 © F. Schubert 2015 Infrarot Sensortechnik 175 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik http://www.mpe.mpg.de/heg/www/he-d.html © F. Schubert 2015 Sensortechnik 176 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip Quelle: http://melville.uni-klu.ac.at:8080/greybox/m01/202/el_ma_sp.jpg © F. Schubert 2015 Sensortechnik 177 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Physikalisches Prinzip • • • • Infrarotsender Infrarotempfänger Reflexion der Welle Detektion von Wärmestrahlung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 178 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Reflexsensor Funktionsweise Objekt © F. Schubert 2015 Sensortechnik 179 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Reflexsensor QRD 1114 Reflective Objekt Sensor FAIRCHILD Semiconductor Corp. 4,39 mm ∙ 6,1 mm ∙ 4,65 mm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 180 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Inrarot Reflexsensor • • • • Reichweite: Wellenlänge: Leistung: Epoxy-Gehäuse Charakteristik < 500 mm 940 nm 100 mW Quelle: FAIRCHILD Datasheet QRD1114 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 181 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Inrarot Reflexsensor Charakteristik Rel. Empfindlichkeit / % Wellenlänge/nm http://www.vias.org/mikroelektronik/sensor_phototransistor.html © F. Schubert 2015 Sensortechnik 182 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Reflexsensor 4,7 kΩ © F. Schubert 2015 Beispiel mit ARDUINO 220 Ω Sensortechnik 183 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Grundlagen Bewegungssensor • Es ist kein aktiver Sender erforderlich • Erfassung der Infrarotstrahlung der Umgebung • keine absolute Erfassung der Wärmestrahlung nur zeitliche bzw. örtliche Änderung der Strahlung PIR © F. Schubert 2015 = Passiv-InfraRot Sensortechnik 184 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 185 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Bild2 Elektronik Sensor © F. Schubert 2015 PIR SE-10 Bild 1 Sensor Linse Sensortechnik Bild3 Linse Elektronik 186 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Pyroelektrischer Sensor 1. 2. 3. 4. © F. Schubert 2015 Sensortechnik Frontelektrode Rückelektrode Verstärker pyroelek. Kristall 187 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Prinzip Durch Ladungsänderung wird eine differierende elektrische Spannung erzeugt, diese Spannung wird durch die nachfolgende Verstärkerelektronik ausgewertet © F. Schubert 2015 Sensortechnik 188 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Fresnel-Linse http://www.elka.de/download/dokumentation/grundlagen/d/PIR_technik1.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 189 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Erfassungssektoren http://www.elka.de/download/dokumentation/grundlagen/d/PIR_technik1.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 190 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Schaltung http://www.mikrocontroller.net/attachment/154334/PIR13.PNG © F. Schubert 2015 Sensortechnik 191 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 192 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.4 Infrarot Bewegungssensor Sensorsignale http://www.elka.de/download/dokumentation/grundlagen/d/PIR_technik1.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 193 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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). http://www.elka.de/download/dokumentation/grundlagen/d/PIR_technik1.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 194 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 195 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 196 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.5 Koordinatenmessgerät Prinzipieller Aufbau Grundplatte (Y-Achse) Portal (X-Achse) Pinole (Z-Achse) Längenmesssysteme Mess- oder Tastkopf Quelle: Wikipedia © F. Schubert 2015 Sensortechnik 197 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.5 Koordinatenmessgerät Mess- und Tastkopf Quellen: adpic, ZEISS, Renishaw © F. Schubert 2015 Sensortechnik 198 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.1.5 Koordinatenmessgerät Portal-Koordinatenmessgerät Quelle: ZEISS © F. Schubert 2015 Sensortechnik 199 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2 Sensoren für mechanische Größen 3.2.1 Kraftsensor Kraftsensibler Widerstand, Force Sensing Resistor (FSR) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 200 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 201 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Aufbau: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 202 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Technische Daten: von • • • • • • • • • • • • 0,5 x 0,5 cm 51 x 61 cm 0,2 mm 1,25 mm 100g 10 kg 0,1 kg/cm² 10 kg/cm² ± 2% ± 5% ± 15 % ± 25 % 0,5 % vom Maximalwert 20 g 100 g > 1 MΩ 1 ms 2 ms -30°C 70°C > 10 Millionen Schaltspiele Größen Dicke Kraftbereich Druckbereich Wiederholbarkeit gleicher Sensoren Wiederholbarkeit versch. Sensoren Auflösung Anschaltschwelle Widerstand Ruhezustand Ansprechzeit Temperaturbereich Lebensdauer © F. Schubert 2015 Sensortechnik bis 203 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Typ: SEN-09375 Eigenschaften: • • • • • • • • Widerstandswert: unbelastet >10MΩ Erfassungsbereich: 100g- 10Kg Ansprechzeit: 1-2ms Dicke des Sensors: 0,46mm Wiederholgenauigkeit: ±2%-±5% Auflösung: 10-100g Lebensdauer: >10 Millionen Betätigungen Max. Stromaufnahme: 1mA © F. Schubert 2015 Sensortechnik 204 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Kennlinie: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 205 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Vorteile gegenüber kapazitiven Sensoren: • • • • Kleinere Abmessungen Günstigerer Preis(FSR: 6 €, Kapazitiv: 17 €) geringerer Energieverbrauch kein externer Mikroprozessor erforderlich © F. Schubert 2015 Sensortechnik 206 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.1 FSR Kennlinen für Spannungsteiler und Strom-Spannungs-Wandler • • • http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf http://hacknmod.com/hack/make-your-own-force-sensitive-resistor/de/ http://www.as-workshop.de/sensprax/spanteil.htm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 207 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 © F. Schubert 2015 DMS Sensortechnik 208 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 209 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Widerstand des unbelasteten DMS: R= r l 4×l =r 2 A D ×p Relative Widerstandsänderung: ρ : spezifischer Widerstand l : Drahtlänge A : Querschnittsfläche D : Drahtdurchmesser DR Dr Dl DD = + -2× R r l D Längs- und Querdehnung: Dl e= l © F. Schubert 2015 DD eq = = -m × e D ε : relative Längenänderung εq : relative Querschnittsänderung μ : Querdehnungszahl Sensortechnik 210 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Relative Widerstandsänderung: DR Dl = k× = k × e R l k-Faktor: k= Dr +1+ 2 × m r ×e © F. Schubert 2015 Sensortechnik 211 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 Pt 100% 6 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 Platin Platin-Wolfram © F. Schubert 2015 Sensortechnik 212 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Merkmale: • Maximale Dehnbarkeit Abhängig vom Material des Messgitterwerkstoffs, vom Klebstoff und vom Trägermaterial Typisch 1.000 μm/m (Halbleiter) bis 50.000 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 213 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Brückentypen: Brückentyp Voll Voll mit Querkontraktion Halb Halb mit Querkontraktion Viertel B Anzahl der DMS 4 4 2 (1 + ν) 4 2 2 1+ν 2 1 2 UD 1 k B UB 4 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 214 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Signalauswertung: • DMS-Brücke • Messverfahren Gleichspannungs-Differenzverstärker Trägerfrequenz-Differenzverstärker Konstantstrom Time-to-Digital-Conversion © F. Schubert 2015 Sensortechnik 215 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Anwendungen: • • • • • • • • Kraftaufnehmer Waagen Druckaufnehmer Drehmomentmessung Verformungsmessung (Dehnung bzw. Stauchung) Beschleunigungsmessung Schwingungsmessung Bahnzugmessung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 216 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.2 DMS Ausführungen: • Folien-, Draht-, Halbleiter-DMS • Mehrfach-DMS DMS mit Querdehnung Vollbrücken -DMs Rosetten-DMS © F. Schubert 2015 Sensortechnik 217 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 © F. Schubert 2015 Vibrationssensor Sensortechnik 218 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Merkmale: • piezoelektrischer Film PVDF (Polyvinylidenfluorid) Teilkristallin Lichtundurchlässig Polarisierter thermoplastischer Fluorkunststoff • Vibrationsmessung über Massenschwingung Wirkprinzip: • Piezoelektrischer Effekt • Verschiebung der Ladungsschwerpunkte © F. Schubert 2015 Sensortechnik 219 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Aufbau: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 220 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Technische Daten: von • • • • • 9 µm 106 0°C Dicke Rel. Permittivität Temperaturbereich Maximale Betriebsspannung Lagertemperatur © F. Schubert 2015 bis 110 µm 113 125°C 750V/µm -40 °C 85°C Sensortechnik 221 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 222 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Kennlinie im Schalterbetrieb: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 223 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Frequenzabhängige Kennlinie : • Dynamisches u. breitbandiges Verhalten 0.001 Hz – 109 Hz • Masse verändert die Empfindlichkeit © F. Schubert 2015 Sensortechnik 224 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 225 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.3 Vibrationssensor Anwendungen: • • • • • • • Kollisionsdetektor Als flexibler Taster Vibrationsmessungen Sicherheitstechnik Bewegungsüberwachung Hydrophon Mit Kleber auf Oberflächen anzubringen (z.B. Glas) http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/ForceFlex/LDT_Series.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 226 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.4 © F. Schubert 2015 Flexsensor Sensortechnik 227 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.4 Flexsensor Merkmale: • • • • Basiert auf dem Prinzip des Dehnungsmessstreifens (DMS) Dehnungsbereich bis zu +-180° 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 228 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.4 Flexsensor Aufbau: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 229 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.2.4 Flexsensor Technische Daten: von • • • • • • 0.28‘‘ 5‘‘ 1.5 kΩ 44 kΩ > 1 Millionen Schaltspiele -35°C +80°C 7% 5V 12 V Länge Widerstandsbereich Lebensdauer Temperaturbereich Hysterese Spannungsbereich © F. Schubert 2015 Sensortechnik bis 230 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 http://www.youtube.com/watch?v=if3mES64tTU&feature=related http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Flex/SoftPot-Datasheet.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 231 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3 Temperatursensoren 3.3.1 NTC © F. Schubert 2015 Sensortechnik 232 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.1 NTC Merkmale: • • • • • • Halbleiter-Temperatursensor Einsatzbereich zwischen -80 °C und + 250 °C Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand Hohe Auflösung Langzeitstabil Linearisierung notwendig © F. Schubert 2015 Sensortechnik 233 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.1 NTC Technische Daten des NTC 103: • • • • • • • Messbereich Nennwiderstand bei 25 °C Widerstandstoleranz bei 25 °C Ansprechzeit in Luft Eigenerwärmung max. Verlustleistung Abmessungen © F. Schubert 2015 Sensortechnik -60 °C bis +150 °C 10 KΩ ±0,5% 15 s 1,2 mW / K 6 mW 3,8 x 2,8 x 17 mm 234 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.1 NTC Charakteristik des NTC 103: 30 RΘ/kΩ 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 Θ/°C 100 http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/500000-524999/502359-da-01-deNTC_TEMP_SENSOR_TS_NTC_103_60_150_C.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 235 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.2 SHT15 www.sparkfun.com © F. Schubert 2015 Sensortechnik 236 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 237 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.2 SHT15 Technische Daten (Temperaturabhängigkeit): Minima Maxima Einheit 0.04 0.01 C° 12 14 bit Genauigkeit +/- 3 C° Wiederholgenauigkeit +/- 0.1 C° Auflösung Bereich - 40 + 128.3 C° Ansprechzeit 5 30 s < 0.04 C° pro Jahr Langzeitdrift Lagertemperatur 10 50 C° Quellspannung 2.2 5.5 V © F. Schubert 2015 Sensortechnik 238 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.2 SHT15 Messgenauigkeit: Vergleich der Temperaturmessgenauigkeit der Sensirion SHT1x Serie http://www.sensirion.com/de/01humiditysensors/03_ humiditysensorsht15.htm http://www.sparkfun.com/products/8257 http://de.wikipedia.org/wiki/Bandabstandsreferenz http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0701291.htm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 239 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.3.2 SHT15 Breakout Board: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 240 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen 3.4.1 Beschleunigungssensor © F. Schubert 2015 Sensortechnik 241 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 242 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.1 Beschleunigungssensor Funktionsprinzip: m C1 m C2 © F. Schubert 2015 Sensortechnik Δx 243 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.1 Beschleunigungssensor Funktionsprinzip: © F. Schubert 2015 Kräftegleichgewicht: Sensortechnik 244 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 245 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.1 Beschleunigungssensor Aufbau des kapazitiven Sensors: seismische Masse Feder • Feder-Masse System und Signalverarbeitung aus Silizium • Kapazitive Kammstruktur © F. Schubert 2015 Sensortechnik 246 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 247 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 248 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.1 Beschleunigungssensor Technische Daten ADXL335: • • • • • • • • • • 3-Achsen Beschleunigungsmesser 10000 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 249 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.1 Beschleunigungssensor Breakout Board: Breakout-Board 18x18mm 20,49 € Bandbreite 50Hz © F. Schubert 2015 Sensortechnik 250 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL335.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 251 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen 3.4.2 Drehraten (Giro) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 252 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 253 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor y ω φ x, t ω t φ t © F. Schubert 2015 Sensortechnik 254 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Lichtleiter Arten: ω Optisches Gyroskop (Sagnac-Effekt): Lichtquelle nach Δt Lichtquelle Lichtquelle Halbdurchlässiger Spiegel Detektor Glasfaser 100 – 1000 m Laser Detektor Faseroptischer Kreisel © F. Schubert 2015 Ringlaser Sensortechnik 255 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Rotierende Stimmgabel Sensortechnik 256 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor ω Masse Anregungsschwingung Rahmen Coriolisbewegung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 257 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 258 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Typische Drehraten: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 259 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor LISY300AL ITG-3200 vs. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 260 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 261 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Anschlüsse: LISY300Al Arduino ITG-3200 Arduino 3,3V Versorgungsspannung 3,3V SCL serial clock line Analog PIN 5 GND Masse GND SDA serial data line Analog PIN 4 OUT Analogausgang Analogeingang CLK ext. clock GND PD power down Digitalausgang INT interrupt output n.c. ST self test GND GND Masse GND VIO Logikspannung (I²C) 3.3V VDD Versorgungsspannung 3.3V © F. Schubert 2015 Sensortechnik 262 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Blockschaltbild LISY300AL: http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/LISY300AL.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 263 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Blockschaltbild ITG-3200: http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Gyro/PS-ITG-3200-00-01.4.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 264 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 265 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 10.000 g schocktolerant Temperatursensor (-30° bis +85°) Preis ca. 50$ © F. Schubert 2015 Sensortechnik 266 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.2 Drehratensensor Anwendungsbeispiele: • Automobilindustrie (ESP, Navigation) • Spielkonsolen (PS3, Wii) • Smartphones • Tablet PC • Kameras (Verwackelungsschutz) • Modellbau (Hubschrauber) • uvm. © F. Schubert 2015 Sensortechnik 267 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4 Sensoren für zeitbasierte Größen 3.4.3 Realtime Clock (RTC) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 268 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.3 RTC Merkmale DS1307: • • • • • • • Realtime Clock (RTC) Datum und Uhrzeit Batterie-gepuffertes 56 Byte NV-RAM I2C-Bus Interface Programmierbares Rechteck-Ausgangssignal Spannungsüberwachung Low Power © F. Schubert 2015 Sensortechnik 269 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.3 RTC Blockschaltbild DS1307: DALLAS Semiconductor © F. Schubert 2015 Sensortechnik 270 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.3 RTC Anschlusspins DS1307: DALLAS Semiconductor © F. Schubert 2015 Sensortechnik 271 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.3 RTC Technische Daten DS1307: von • • • • • • • Versorgungsspannung Größe Versorgungsstrom Temperaturbereich Data Setup Time Batteriespannung Batteriestrom bis 4,5 V 5,5 V 10 mm x 6,3 mm x 3,2 mm 1,5 mA 0°C +70°C 250 ns 2,0 V 3,5 V 800 nA DALLAS Semiconductor © F. Schubert 2015 Sensortechnik 272 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.4.3 RTC BOB-00099 RTC-Modul: 20 mm x 20 mm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 273 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5 Fotometrische Sensoren 3.5.1 Fotowiderstand © F. Schubert 2015 Sensortechnik 274 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 275 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 276 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 25° 100 mW Maximale Spannung bei 25° 150 V Maximale Spektrale Empfindlichkeit bei 25°C 540 nm Temperaturbereich -30°C bis +70°C © F. Schubert 2015 Sensortechnik 277 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5.1 Fotowiderstand GL5528 Charakteristiken: Lichtintensität © F. Schubert 2015 Farbempfindlichkeit Sensortechnik 278 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5.1 Fotowiderstand Anwendungen: • • • • • • Belichtungsmesser in Kameras Dämmerungsschalter Optokoppler Beleuchtungsstärkemesser Flammenwächter Sensor in Lichtschranken © F. Schubert 2015 Sensortechnik 279 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5.1 Fotowiderstand Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand http://www.societyofrobots.com/schematics_photoresistor.shtml http://www.wissen.de/thema/fotowiderstand?chunk=Kurzinfo http://www.mikrocontroller.net/topic/149422 http://www.virtualvillage.de/fotowiderstand-keramisch-ldr-vt43n1-8k-300k-ohm-001493-018.html http://www.sparkfun.com/products/9088 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0110301.htm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 280 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5 Fotometrische Sensoren 3.5.2 Fotodiode und -transistor Siehe Kapitel 3.1.4 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 281 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.5 Fotometrische Sensoren 3.5.3 PIR Siehe Kapitel 3.1.4 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 282 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.6 Akustische Sensoren 3.6.1 Mikrofon © F. Schubert 2015 Sensortechnik 283 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.6.1 Mikrofon Arten, Energieversorgung, Wandlungsprinzipien und Signale: Aktiv Passiv Kohlemikrofon HFKondensatormikrofon NFKondensatormikrofon ElektretKondensatormikrofon Piezomikrofon Dynamisches Mikrofon Gleichspannung HF-Oszillator Gleichspannung Elektretfolie Piezospannung Dauermagnet Variabler Widerstand Variables elektrisches Feld Proportional zur Auslenkung © F. Schubert 2015 Sensortechnik Induktive Wandlung Proportional zur Geschwindigkeit 284 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 285 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.6.1 Mikrofon Aufbau und Schaltung des Elektret-Mikrofons: Gegenelektrode Elektretfolie Luftspalt +1,5 V Metallisierung ++++++++ ------- ++++++++ ------- - ))) ) UOUT Isolatorgehäuse © F. Schubert 2015 Sensortechnik 286 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.6 Akustische Sensoren 3.6.2 Ultrasonic Siehe Kapitel 3.1.3 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 287 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7 Sensoren für klimatische Größen 3.7.1 Luftdruck © F. Schubert 2015 Sensortechnik 288 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 289 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.1 Luftdruck Aufbau: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 290 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.1 Luftdruck Technische Daten BMP085: • • • • • • Druckbereich Größe Versorgungsstrom Temperaturbereich Umsetzzeit Spannungsbereich von bis 300 hPa 1100 hPa 5 mm x 5 mm x 1,2 mm 5 μA -40°C +85°C 3 ms 1,8 V 3,6 V http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Pressure/BST-BMP085-DS000-06.pdf © F. Schubert 2015 Sensortechnik 291 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.1 Luftdruck Vor- und Nachteile: • • • • • • hohe Auflösung einfache Verdrahtung nahezu hysteresefrei für weiten Druckbereich einsetzbar integriertes Thermometer I2C Bus • Empfindlichkeit für die Diffusion von Feuchtigkeit (Abhilfe durch Membran beim BMP085) • Temperaturabhängigkeit (Abhilfe durch Brückenschaltung) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 292 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.1 Luftdruck Anwendungen: • • • • In- und Outdoor Navigation Freizeit und Sport Wettervorhersage Vertikale Geschwindigkeitsmessung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 293 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7 Sensoren für klimatische Größen 3.7.2 Luftfeuchte www.sparkfun.com © F. Schubert 2015 Sensortechnik 294 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 295 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Messverfahren und Aufbau des SHT 15: • Kondensator mit hygroskopischem Dielektrikum • Kapazitives Messfeld aus zwei Elektroden Quelle: www.elv.de © F. Schubert 2015 Sensortechnik 296 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Technische Daten (Feuchteabhängigkeit): Minimum Auflösung Maximum 0.05 % 12 Einheit RH 14 bit Genauigkeit +/- 4,5 % RH Wiederholgenauigkeit +/- 0.1 RH 100 % RH Ansprechzeit 8 s Langzeitdrift < 0.5 %RH pro Jahr Bereich 0% Lagertemperatur 10 50 C° Quellspannung 2.2 5.5 V © F. Schubert 2015 Sensortechnik 297 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Kennlinie: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 298 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Messgenauigkeit: Vergleich der Feuchtigkeitsmessgenauigkeit der Sensirion SHT1x Serie © F. Schubert 2015 Sensortechnik 299 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Interface-Anschlüsse: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 300 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Schaltungsschema: © F. Schubert 2015 Sensortechnik 301 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.2 Luftfeuchte Arbeitsbereich: http://www.sensirion.com/de/01humiditysensors/03_ humiditysensorsht15.htm http://www.sparkfun.com/products/8257 http://de.wikipedia.org/wiki/Bandabstandsreferenz http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0701291.htm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 302 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7 Sensoren für klimatische Größen 3.7.3 Kompass © F. Schubert 2015 Sensortechnik 303 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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 100 – 30nm © F. Schubert 2015 Sensortechnik 304 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass Hunt-Element Permalloy-Streifen M • Einfachste Bauform eines AMR-Sensors • Häufig werden 2 Hunt – Elemente in einer Wheatstonschen Messbrücke verschaltet • Nachteil: Polarisationsrichtung des äußeren Magnetfeldes ist nicht erfassbar © F. Schubert 2015 I Kennlinie eines Hunt – Elementes in abgeglichener Brückenschaltung (Quelle: Bartos) Sensortechnik 305 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass Barberpole-Sensor Kennlinie eines Barberpole – Sensors (Brückenschaltung)(Quelle: Bartos) Aufbau eines Barberpole - Sensors(Quelle: TU-BS) • Einfachste Möglichkeit zur Linearisierung der Kennlinie • Polarisation (in Stromrichtung) kann erfasst werden © F. Schubert 2015 Sensortechnik 306 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 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) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 307 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass Eigenschaften des HMC 6352: • • • • • Firmware/Algorithmen vorinstalliert Vollständig integriert Low Voltage Spannungsversorgung I²C-Bus Umweltfreundlich © F. Schubert 2015 Sensortechnik 308 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass Technische Daten des HMC 6352: • • • • • • • Firmware/Algorithmen vorinstalliert Compass with Heading Output Full Integration of 2-Axis Magnetic Sensors and Electronics Compass Algorithms Small Surface Mount Package Wide Magnetic Field Range (± 2 Oe) Set/Reset Strap Drive © F. Schubert 2015 Sensortechnik 309 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass HMC 6352 User Calibration: • • • • • • I²C Slave Adress Magnetometer Offsets Time Delay Measurement Summing Software Version Timing Requirements © F. Schubert 2015 Sensortechnik 310 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.7.3 Kompass Anwendungsbereiche: • Geräte beim Endverbraucher Navigationssysteme im KFZ Persönliche Navigationssysteme • Magnetfeldmessung • Antennenpositionierung © F. Schubert 2015 Sensortechnik 311 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8 Sonstige Sensoren 3.8.1 Kapazitiver Sensor Quelle: Pepperl & Fuchs © F. Schubert 2015 Sensortechnik 312 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8.1 Kapazitiver Sensor Grundprinzip: • Änderung der Kapazität (Wirksame Fläche, Abstand, Dielektrikum) Anwendungen: • • • • • • • • Drucksensor (Abstand) Abstandssensor (Abstand) Spaltsensor (Abstand) Näherungsschalter (Abstand) Beschleunigungssensor (Abstand) Wegsensor (Abstand) Winkelsensor (Fläche) Feuchtesensor (Dielektrikum) © F. Schubert 2015 Sensortechnik 313 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8.1 Kapazitiver Sensor Touchscreen: • Berührungsbildschirm Funktionsprinzipien: • • • • • resistiv kapazitiv induktiv akustisch optisch © F. Schubert 2015 Sensortechnik 314 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8 Sonstige Sensoren 3.8.2 Reed-Schalter © F. Schubert 2015 Sensortechnik 315 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8.2 Reed-Schalter Grundprinzip: • Induktiver Schalter • Magnetisch betätigte Kontaktzungen aus einer EisenNickellegierung • Hermetisch dichte Schalter in einem Glasröhrchen (Reed) • Schutzgas oder Vakuum • Innere Kontaktfläche aus Edelmetall • Äußere Lötfläche aus Zinn oder Gold © F. Schubert 2015 Sensortechnik 316 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8.2 Reed-Schalter Funktionsweise: Ohne Magnetfeld © F. Schubert 2015 Mit Magnetfeld Sensortechnik 317 Prof. Dr. Franz Schubert Prof. Dr. Franz Schubert 3.8.2 Reed-Schalter Technische Daten: Minimum Maximum Schaltspannung 10 nV 10 kV Schaltstrom 1 fA 5A Frequenz der geschalteten Wechselspannung 7 GHz Isolationswiderstand 1015 Ω Kontaktwiderstand Typ. 50 mΩ Schließzeit 100 μs 300 μs Einsatztemperatur -55 °C +200 °C Schockresistenz 200 g Schaltspiele > 109 © F. Schubert 2015 Sensortechnik 318
