Sensoren- und Signalauswertung (Subject) / die Vorlesung WS2015 an der TUC (Lesson)

This lesson was created by Katheca.

Learn lesson

This lesson is not released for learning.

back  |  next 2 / 3

• Statische Eigenschaften - Empfindlichkeit auf Einflussgrößen Sensorsignal ändert sich aufgrund anderer Größen, die von der Messgröße unterschiedlich sind zB Temperatureinfluss durch: Veränderung der MaterialeigenschaftenÄnderung der AktivierungsenergienÄnderung der Transportmechanismen(Diffusion)
• Statische Eigenschaft - Quereigenschaft Empfindlichkeit gegenüber anderen Messgrößen (interfering inputs)= Sonderfall der Einflussgrößen (Rkt. Auf Nutz- & Störgröße sehr ähnlich) Bsp: Gassensor für reagiert auch auf andere Gase
• Statische Eigenschaften - Reproduzierbarkeit/ Wiederholbarkeit Definition: Sensorsystem liefert nicht denselben Signalwert, auch wenn alle Bedingungen gleich bleiben Mögliche Ursachen: Thermisches RauschenMaterialelastizitätKontamination bei Bio und GassensorenTypische Angabe: Δ  = Δymax /MBE (Messbereichsendwert)
• Linearität Definition: Das Übertragungssystem eines Sensors ist nicht linear Ursache: MessprinzipÜberprüfung durch Linearisierung/ numerisches DifferenzierenTypische Angabe:
• Hysterese Definiiton:Sensorausgangsgröße ist von der vorausgegangenen Aufeinanderfolge der Werte der Eingangsgröße abhängig Sensorsignal abhängig von Vorgeschichte Zusammenhang zw. Eingangs- & Ausgangssignal nicht eindeutig MG erst vergrößern, dann verkleinern  nicht dieselbe Kennlinie Mögliche Ursachen: Hysterese von Werkstoffen (zB. Ferromagnetische Werkstoffe)Reibung und Setzung bei mehrteiligen Messkörpern (geschraubt, geklemmt)Plastische Verformung der Verbindung zw. Chip und GehäuseMech. Spannung durch Einbau einer Druckmesszelle in einem Adapter
• Statische Eigeschaften - Alterung/ Drift Definition Ursachen Lineare Sensoren Definition: Eigenschaften des Sensorsystems verändern sich über die Zeit Definition Drift – spezielle Art der Alterung durch eine langsame zeitlich Änderung (absteigend/ aufsteigend) des Wertes eines Merkmals des Messgerätes (Messabweichung)Ursachen: Alterung Material Setzen von Atomen im Metallgitter (Alterung abhängig von Einsatzbedingungen) Lineare Sensoren: NullpunktdriftEmpfindlichkeitsdrift
• Statische Eigenschaften - Ausfall Definition: mittlere Zeitdauer zw. 2 Ausfällen ist die MTBF MTTR … Mean Time To Repair MTBF ...Mean Time Between Failure Verfügbarkeit eines Sensorsystems: V= MTBF/(MTBF+MTTR)
• Sensortechnologien - Entwurfsstrategien Bottom-Up Voraussetzung: Bibliothek mit einzelnen Elementen vorhanden (Bibliothek der sensoren und simulationsmodellen, der systemstrukturen, Signalverarbeitungsverfahren Anforderungen + Randbedingungen -> Eigenschaften Sensorsystem Auswahl der Sensoren und Simulationsmodelle Auswahl der Sensorstruktur Auswahl der Signalverarbeitungsverfahren geforderte Sensoreigenschaften erfüllt? Ja: Ergebnis; Nein zurück zum Anfang Top-Down N-Verteilungen der Systemfunktionalität auf TeilsystemeHierarchie der Teilsysteme ( Toplevel-system -> subsysteme)
• Sensortechnolgie - Entwurfsprozess - Simulation Simulation eines Mikrophons mit makromechanischem Modell Entwurfsparameter (Größe, Membransteifigkeit, Abstand: Membran- Backplate, Akustische Dämpfung, Membranmasse) Optimierung von (Frequenzantwort, Empfindlichkeit, dynamischer Bereich, Richtcharakteristik) Simulation eines Mikrophons mit Finite Elemente Methode ElektrodenformMaterialeigenschaften Bsp: ANSYS Materialeigenschaften als Variable in Programm ienfügen Optimierungsverfahren um DGL der FE zu lösen Je feier  aufgeteilt, desto besser, aber möglicherweise keine genaue Lösug weil Rechenaufwand zu groß
• Fertigungstechnologien Dickschicht, Dünnschicht, Silizium Dickschicht-Technologie 10-15 SchichtdickeHerstellung von: Widerständen, Kondensatoren, LeiterbahnenDielektrika mit hoher DielektrizitätszahlSensorschichten aus MetalloxidenBsp. Siebdruckverfahren Dünnschicht-Technologie; Kleinere Strukturen, dünne SchichtenHerstellung von: Temp.empfindlichen Widerstandsschichten (Pt, Ni, ..) Lichtempfindlichen Schichten Piezoelektrische Sensoren Bsp. Vakuum-Aufdampfen, KathodenzerstäubungSilizium-Technologie Mikroelektronik (gut beherrscht, günstige Herstellung)Silizium: Definierte mechan. Eigenschaften Ausreichen elastisch Chemisch stabil Keine Hysterese-Effekte ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Mechanische Verformung einer Siliziummembran -> kapazitive Kraft- & DehnungsmessungTemp.abhängigkeit der Diodenkennlinie -> Temp.messungLichtelektrischer Effekt -> Fotoelement, Fotodiode
• Advertisement
• Fertigungstechnologien - Vorteile der Miniatuarisierung Integration von mikromech. Strukturen zusammen mit elekt. SchaltungenKleinere AbmessungenGeringere Kosten (Integration vieler Prozessschritte in Batchfertigung)Niedriger EnergieverbrauchBessere Zuverlässigkeit (Wegfall von Verbindungselementen)Funktionalität (Integration von Elektronik und Mechanik)Kurze Reaktionszeiten (kleine Wege, Massen & therm.Trägheit)
• Sensortechnologie - Entwurfsprozess - Herstellung - Mikrosystemtechnik Bsp: Metalloxid-Gassensor (einer der 1. Sensoren auf dem Markt), Beschleunigungssensor, …       Bulk-Mikromechanik: Ätzverfahren zur dreidimensionalen Strukturierung -Substrat wird durch feuchtes oder trockenes Ätzen strukturiert -Istropes Ätzen -Anisotropes Ätzen -High Aspecht Ratio Manufacturing System Technology (HARMST): Besser EmpfindlichkeitMechanische RobustheitRedeuziertes Rauschen  Oberflächenmikromechanik Dreidimensionale Strukturen werden entwickelt durch aufeinander folgende Separation und Strukturierung von Opferschichten, welche meist SiO₂-Schichten sind Auftragen der OPferschicht auf den Wafer und StrukturierungAuftragen von zB Polysilizium und StrukturierungÄtzen der Opferschicht (-> geformtes /strukturiertes Polysilizium bleibtBsp: Drehratensensor
• Sensortechnologien - Herstellung - Cantilever Mikro- & Nanosensoren Bsp: Rasterkraftmikroskopie (Masse, piezoel. Aktuator -> resonanz) Temperatur Viskoelastizität machan. Spannung Magnetfelder Nanosensoren: Kohlestoff-Nanoröhren für NEMS Durchmesser: 1 - 1,5 nmAufgerolltes hexagonales Gitter aus C-Atomen Sehr hohe Dehnungskraft Extrem elastisch Messung von: Temperatur, Gase, Durchfluss, Biomedizinische Größen, Druck, Dehnung
• Temperaturmessung - Grundlegende physikal. Effekte: Ausdehnung von Materialien (Festkörper & Flüssigkeiten) Beweglichkeit von Ladungsträgern, Relevant bei Halbleitermaterialien (Eigenleitfähigkeit, Ionisation, Diffusionskonstante) Seebeck-Effekt (ΔU bei ΔT) Lichtemission von Festkörpern (L=L(λ,T))
• Temperaturmessung - Bimetallthermometer (Ausdehnung) Ausführungsvarianten: planar spiral, washer, U-shape, helix
• Temperaturmessung - Thermoelement - Seebeckeffekt Nachteile, Vorteile                                                                U=K(T-Tv)Vorteil: großer Arbeitsbereich, schnelle Reaktionszeit, keine Energieversorgung Nachteil: nur Vergleichstemperaturen bzw. ΔT messbar Prinzip Thermospannung:In Reihe geschaltete Thermoelemente verstärken Messsignal
• Temperaturmessung - Widerstandthermometer T ↑ Beweglichkeit d. Ladungsträger↓ spezifischer Widerstand ↑ ->  thermoelektrischer Effekt Steigung der Kennlinie entspricht Empfindlichkeit d. Sensors Ableich (Trimmen): R(T)=Rs+ (RNI(T)*Rp)/(RNI(T)+Rp) … Abgleichbarer Serienwiderstand  Nullpunkt… Abgleichbarer Parallelwiderstand  Übertragungsfaktor
• Temperaturmessung - Widerstandthermometer - Bauformen Drahtgewickelter Keramik Sensor Kein schlüssiger Materialkontakt zwischen Al₂O₃-Pulver und PlatindrahtPlatinwendel dreht sich freiHohe LangzeitstabilitätManuelle Anteile in der FertigungDurchmesser: 0,9…4,5mmLänge: 7…30mmTemperatur: -200…+800°C Drahtgewickelter Folienwiderstand Flache AusführungHohe FlexibilitätManuelle Anteile in der FertigungOberflächenmessung, zB an RohrleitungenHäufig auch in TransformatorenwicklungenDrahtdurchmesser: 17…30 μmGesamtdicke: 0,17mmTemperatur: -200…+230°C Drahtgewickelter Glaswiderstand Sensor im Glas verschweißt und benötigt kein äußeres SchutzrohrKurze AnsprechzeitenHöhere Erschütterungsfestigkeit als Keramik-SensorManuelle Anteile in der FertigungDurchmesser: 0,9…4,8mmDrahtdurchmesser: 17…30μmLänge: 7…55mm Dünnschicht Widerstand (am häufigsten) Kurze Ansprechzeiten (in Wasser <1s)Geringe thermische MasseAustauschbarkeitLangzeitstabilitätGeringe KostenPlatin-Schichtdicke: 0,5…1 μmGlas-Schutzschichtdicke: 10…15 μmTemperatur: -50…+400(600)°C
• Temperaturmessung - Widerstandsthermometer - Technologische Ausführung von Platin-Widerstandsthermometern: Drahtgewickelt sinterkeramisch dünn- & dickschichttechnisc Folienform
• Temperaturmessung - Heißleiter (NTC-Wiederstand) (Negative Temperature Coefficient) T ↑ Ladungsträgerdichte ↑ leitet Strom besser im heißen Zustand Halbleiter-Keramik-Widerstände = Thermistoren negativer Temperaturkoeffizient Empfindlichkeit: negativ Stark vom Arbeitspunkt abhängig -Sinkt mit zunehmender Temperatur stark ab Realisierung: Perlen- oder Scheibenform gesintertPolykristalline Struktur
• Temperaturmessung - Pn- Thermometer - Kennlinienmodell nach Shockley: PTAT-Sensor (Proportional to Absolute Temperature) Temperaturmessung nach Vester Kennlinienmodell nach Shockley: U= (kT/e)*ln((I/Is(T))+1)    mit Is= Sperrsättigungsstrom PTAT-Sensor (Proportional to Absolute Temperature): U(T)= Ug0(1-T/Tr) + (T/Tr)*U(Tr) -(η-m)* (kT/e)*ln(T/Tr)  mit Tr = Kalibrationstmep Ug Extrapolierter Bandabstand bei 0 K und η , m Konstanten Temperaturmessung nach Verster
• Temperaturmessung - Pn – Temperaturmessung nach Vester Zwei Transistoren mit unterschiedlichen Effektivflächen Differenzprinzip!m… Emissionsfaktor zum JustierenPrinzipiell kalibrationsfrei!KostengünstigEinfach integrierbar
• Berührungslose Temperaturmessung Einsatzbereich Raue Umgebungsbedingungen: hohe Temperaturen,… Schwer zugängliche Stellen Sehr kleine oder sehr große Oberflächen messbar Wenn Ansprechzeiten <1s erforderlich sind Messung der einfallenden Strahlung Aufnehmer FotowiderständeFotoleitende DetektorenFotodiodenFotozellenVerwendung Spektral- & Bandstrahlpyrometer bis 5μm Wellenlänge und T>100°C
• Berührungslose Temperaturmessung - Thermische Strahlungsaufnehmer Einfallende Strahlung erzeugt auf Strahlungsaufnehmer eine Temperaturerhöhung, die in ein elektrischen Signal umgewandelt wirdAufnehmer WiderstandsthermometerThermoelemente(Thermosäule)Verwendung Gesamtstrahlungs- & Bandstrahlungspyrometer im Bereich von ca.-100…+1000°C
• Berührungslose Temperaturmessung - Strahlungssensoren Beispiel pyrometer auch Strahlungsthermometer genannt, dienen zur berührungslosen Temperaturmessung. Temperaturen zwischen −50 °C und +5000 °C können mit solchen Geräten gemessen werden Jeder Gegenstand mit einer Temperatur größer 0 Kelvin emittiert Wärmestrahlung, deren Intensität und Lage des Emissionsmaximums von seiner Temperatur abhängt. Diese Strahlung wird mit dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Wenn das Messobjekt kälter als das Pyrometer ist, ist der Strahlungsfluss negativ, d. h. das Pyrometer gibt Wärmestrahlung an das Messobjekt ab (was auf den 2. Hauptsatz der Thermodynamik zurückzuführen ist), was man ebenfalls auswerten kann. Grundlage bildet das Stefan-Boltzmann-Gesetz, Pyrometer mit pyroelektrischem Material (zB Fotowiderstand)Sperrschichtfreier HalbleiterLichteinwirkung  spezifischer Leitwert nimmt zuStrahlungsfluss in der Zeiteinheit Δt auf dem Fotowiderstand mit Absorptionsgrad α
• Berührungslose Temperaturmessung - Bolometer thermischer Detektor und besteht grundsätzlich aus einem Strahlungsabsorber, der mit einem Wärmebad konstanter Temperatur verbunden istZur Messung der Sensorgehäusetemperatur wird zusätzlich ein Sensor benötigtAnwendung zB im KFZ (Innentemperaturregelung, Ansauglufttemperatur) ist ein Strahlungssensor zur Messung über das gesamte Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Wellen. Das Messprinzip ist Absorption und Erwärmung. Zur Absorption im optischen Bereich dienen geschwärzte Oberflächen. Für die Messung von Leistungsimpulsen wird der Temperaturanstieg ausgewertet. Zur kontinuierlichen Messung der Strahlungsleistung muss die Wärme abgeführt werden. Dazu dienen definierte Wärmebrücken, die für die Messung großer Leistungen aus massivem Metall bestehen und am anderen Ende wassergekühlt sind. Die Messgröße ist der Wärmestrom und ergibt sich aus der Temperaturdifferenz über die Wärmebrücke geteilt durch ihren Wärmewiderstand.
• Berührungslose Tempmessung - Thermopile-Sensor Gehören zur Gruppe der thermischen StrahlungssensorenDurch gleichmäßige Herstellungsprozesse kann ein Gleichverhalten der einzelnen Pixel der Zeilenanordnung erwartet werden
• Sensoren für Position und Bewegung - Übersicht Messgrößen – Resistive S. – Kapazitive S. – Induktive S. – Optische S. –Ultraschallverfahren – Magnetische Induktion (Prinzipien siehe Kapitel Magnetfeldsensoren) Übersicht zu Messgrößen Länge l, Position xWinkel αDrehzahl n = Umdrehung / ZeiteinheitDehnung Δx/x₀ (Kapitel Kraftmessung)Lineare Geschwindigkeit v=dx/dtRotationsgeschwindigkeit ω=dα/dt( Beschleunigung siehe Kapitel Kraftmessung)Füllstand
• Sensoren für Position und Bewegung - Resistive Sensoren Widerstandsänderung z. B. durch• veränderlichen Abgriff• Dehnung •Magnetowiderstandseffekt Bsp: Potentiometer, DMS, Feldplatte Vorteile: Kosten, Größe, TemperaturstabilitätNachteile/ kritische Eigenschaften: Mechanischer VerschleißReproduzierbarkeit (Abtrieb)AuflösungFertigungstoleranzen (Schlupf)TemperaturgangLeistungsverträglichkeit Hauptanwendung: Positions- & Winkelmessung Technologien potentiometrischer Weg- & Winkelsensoren: Drahtpotentiometer: (-) begrenzte Ortsauflösung (Drahtdicke) (-) Abtrieb Schichtpotentiometer (-) hoher Temperaturkoeffizient (300-1000ppm/K) Metalloxid – Glasbindungsschicht – Potentiometer (-) raue Oberfläche, daher hoher Abtrieb Leitplastik – Potentiometer (-) hoher Temperaturkoeffizient (400ppm/K)
• Sensoren für Position und Bewegung - Kapazitive Positionssensoren Grundprinzip Anwendung Grundprinzip Veränderung der wirksamen Kondensatorfläche oder Änderung der kapazität durch Näherung/ >Entfernung einer Elektrode Anwendung: Schiebekondensator Differental-Schiebekondensator (höhere Differentialanordnung Mikrosensor für Dehnungsmessung Drehratensensor für elektronisches Stabilitätsprogramm kapazitiver Schwimmschalter (niedriger Anstand zwischen Elektroden) kapazitiver Drehzahlsensor (sehr robust) kapazitive Füllstandmessung
• Advertisement
• Sensoren für Position und Bewegung - Induktive Positionsmessung Grundlegendes Prinzip Weitere Prinzipien und Verfahren das Entstehen eines elektrischen Feldes bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte. Wirbelstromprinzip: magnetoelastisches Prinzip Elektrodynamische Messprinzipien: Tauchanker/ Queranker/ LVDT Elektrodynamische Verfahren bewegter Permanentmagnet (Tauchmagnetprinzip) bewegter weichmagnetischer Anker quer bewegter weichmagnetischer Körper axial bewegter weichmagnetischer Körper
• thermoresistiver Effekt Ein Thermistor ist ein variabler elektrischer Widerstand, dessen Wert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert. In erster Näherung kann die Abhängigkeit des Widerstandes R von der Temperatur T  als lineare Gleichung mit dem Proportionalitätsfaktor (Temperaturfaktor erster Ordnung) k beschrieben werden: Δ R = k Δ T Anwendung Heiß-und Kaltleiter
• Analoge Zeitkontinuerliche Signale Signalparameter Vorteile Nachteile unendlicher Wertevorrat Signalparameter sind kontinuierliche Funktionen • Amplitude• Phase• FrequenzVorteil: Informationsparameter ist proportional zur MessgrößeNachteil: Störungsanfällig
• Sensoren für Position und Bewegung - Induktive Positionsmessung - Elektrodynamische Messprinzipien (Queranker, LVDT, Tauchanker) QuerankerSehr gute Messungen bei Positionen gegen 0Differentialanordnung LVDTHohe AuflösungGroße Genauigkeit & EmpfindlichkeitAusgezeichnete inearität (0,5%)Große Auswahl an Messbereichen(-) Dynamik (Kernmasse) Tauchanker  Spule & verschiebbarer weichmagnetischer Kern -> magnet. FeldlinienMessung der Position null können nicht so gut aufgelöst werden Differentialanordnung
• Sensoren für Position und Bewegung - Induktive Sensoren - Weisssche Bezirke WeissscheBezirke: im ferromagnetiscen material-Die magnetischen Momente der vorhandenen Elektronenspins sind untereinander parallel ausgerichtet.-getrennt durch sogenannte Bloch-Wände.-Legt man ein äußeres magnetisches Feld an, so richten sich die WeissschenBezirke gleich aus.Längenänderung (bei hochmagnetostriktiveWerkstoffe: bis 2mm/m)
• Sensoren für Position und Bewegung - Induktive Sensoren - magnetoelastischen Prinzip Effekte Dehnungsmessung Interaktion magnetischer und mechanischer Parameter eines ferromagnetischen Materials Veränderung der Permeabilität eines ferromagnetischen Materials aufgrund von Verformung (siehe auch Kraftmessung) Villary- Effekt: mechanisch ->  magnetisch Joule Effekt: magnetisch -> mechanisch Wiedemann- Effekt -> Ferromagnetischer Stab: duch das aufeinandertreffen 2 Magnetfelder entsteht mechanische Verdrehung (Torsion) des Stabs, der vom elektrischen Strom druchflossen wird Dehnungsmessung nach dem magnetoelastischen Prinzip Durch die erste Spule wird ein Magnetfeld angeregt. Die Dehnung verändert die Permeabilität des magneto-elastischen Materials. In der zweiten Spule verändert sich die induzierte Spannung MMagnetisch -> Mechanisch -> Elektrisch kurzer Stromimpuls im Wellenleiter Erzeugung eines lokalen Torsionsimpulses Torsionsimpuls läuft als Ultraschallwelle bis Ende des Wellenleiters mechanischer Impuls verändert die Permeabilität des Kernes des Torsionsimpuls-Wandlersystems elektrisch an der Spule messbar eine Laufzeitmessung bestimmt die Position des Magnetes
• Sensoren für Position und Bewegung - Optische Positionssensoren  - Inkrementelle Wegmesssysteme Lichtquelle - Lochscheibe - Lichtempfänger Auflösung <-> Drehgeschwindigkeit keine Absolutwerte!! Drehrichtungserkennunginkrementeller Wegmesssysteme Phasenverschiebung zwischen den Sensoren i (T/2), i=1,2,3,... 2 Sensoren, Lochscheibe Inkrementaler Weggeber nach dem Moiré-Effekt ein festes, ein bewegliches Raster -> Bewegung Licht -> bewegliches raster - > festes Raster -> Detektor an manchen/verschiedenen Punkten Überlagerung Streulicht - Verfahren Stab, der sich dreht, auf dem sind Markierungen, an denen gestreut wird -> Licht -> Stab -> Lichtempfänger Interferometrie Interferenz durch Überlagerungder reflektierten Lichtbündel Zählung der Nulldurchgänge m  Abstand Zählung Hell-Dunkel-Übergänge  Richtung Triangulationsverfahren Triangulation ist eine geometrische Methode der optischen Abstandsmessung durch genaue Winkelmessung innerhalb von Dreiecken.
• Sensoren für Position und Bewegung - Ultraschall Laufzeit bis zum SignalechoErfassungskeule!Erkennung des richtigen Echos Füllstandsmessung mit Ultraschall Laufzeitmessung zwischen Sendesignal und Echo (Messung der Grenze Wasser-Luft) Dämpfung ( als Überfüllsensor) waagerecht angebracht... misst grenze und meldet überschreitung Dämpfung bei Resonanz (als Überfüllsensor)  2 messungen eine oben, eine unten resosnanz gemessen
• Sensoren für Position und Bewegung - magnetisceh Induktion Beispiele Für Sensoren & jewilige Vor- / Nachteile Raddrehzahlsensoren Permanentmagnet, Spule Anwendung in Fahrerassistenzsystemen im KFZ VRS (Variable Reluctance Sensor) Spannung bei Veränderung von magnetischem Widerstand Vorteile:KostenGrößeErzeugung von SignalenTemperaturstabilität Nachteile:kein Signal bei v=0unterschiedliche SignalstärkeAbstand bis 2mm Anwendung:Regelung des Zündzeitpunktes über Kurbel-und Nockenwellengeschwingkeit
• Berührungslose Temperaturmessung - Fotoelektrische Strahlungsaufnehmer Aufnehmer:-Fotowiderstände-fotoleitende Detektoren-Fotodioden-Fotozellen Verwendung:Spektral-und Bandstrahlpyrometer bis 5 μm Wellenlänge und Temperaturen >100 °C
• Kraftmessung Einwirkung einer äußeren Kraft F bzw. Beschleunigung a führt zu einerVerformung oder Verschiebung eines Sensorkörpers
• Kraftmessung - DMS piezoresistiver Aufnehmer Metall-DMS Veränderungen der Geometrie (Belastung -> Änderung Geometrie des Messgitters _> Änderung des elektr. Widerstandes niedrigeres Rauschen Abhängigkeit des piezoresistiven Effekts Werkstoff Ausgangswiderstand ohne Belastung Poissonsche Zahl Halbleiter-DMS Abhängigkeit der Bandstruktur von elastischen Gitterverzerrungen aufgrund der Einwirkung äußerer mechanischer Spannungen (Belasutng -> Deformation des Kristallgitters -> Änderung der Beweglichkeit der freien Ladungsträger -> Änderung elektrische Leitfähigkeit) Vergrößerung des Bandgaps bei InSb mit steigendem Druck (auch bei anderenHalbleitern - ab 1000 MPa) höhere Empfindlichkeit(große k-Werte) Abhängigkeit des piezoresistiven Effekts Orientierung des Halbleiter-Einkristalls Dotierung mit Fremdatomen Art Dichte Verteilung
• Kraftaufnehmer - Maßgeschneiderte Dehnungsmessstreifen (DMS) Vorteile Vorteile: Erhöhung der Empfindlichkeit entlang der vorgesehenen Richtung Einfluss auf den Verlauf des Widerstandes mit der Auslenkung gleichzeitige Messung mehrerer Spannungszustände räumlich konzentriert möglic verringerter Applikationsaufwand bekannte Positionierung der DMSuntereinander mit hoher Genauigkeit
• Kraftaufnehmer - Piezoelektrische Aufnehmer Grundprinzip Je nach Polarisierungsrichtung des Materials können Ladungen auftreten:• an den belasteten Flächen (Längseffekt) oder• quer dazu (Quereffekt) oder• durch Schubspannungen (Schereffekt).Piezoelektrische AufnehmerMehrere Schichten Erhöhung der Empfindlichkeit Die Ladungen werden versuchen sich durch gleiches Auftreten gegenseitig auszugleichen. D.h. der Effekt ist nur vorübergehend; Ladungen müssen gleich nach ihrem Ausgleich irgendwie „gespeichert“ werden.
• Kraftaufnehmer - Magnetoelastischer Effekt Beim Ferromagnetismus richten sich kleine Bereiche (Weißsche Bezirke) nach einem äußeren Magnetfeld aus. Mechanische Spannungen im Material behindern diesen Vorgang. Die ferromagnetischen Eigenschaften verschlechtern sich und die Induktivität wird kleiner.
• Kraftmessung- Kraftmessdose Eine Kraftmessdose besteht aus einem elastischen, zylindrischen Körper der durchdie angreifende Kraft gestreckt oder gestaucht wird. Der Körper ist mit DMS beklebt,welche die auftretenden Normalspannungen erfassen • Messbereich: 50 N … 5 MN.• Messunsicherheit bei ca. 0,05%.• Einsatz in elektromechanischen Waagen
• Kraftmessung - Schwingsaite Gespannte metallische Saite durch elektrodynamische Anregung in Transversalschwingungen versetztInduzierter Strom zwischen K1-K2 entspricht Schwingungsamplitude
• Kraftmessung - Messung am einseitig eingespannten Balken nachteil und Lösung Nachteil: Dehnungsmessstreifen müssen auf gegenüberliegendenSeiten geklebt werden ->  aufwendigLösung: Anordnung von Dehnungsmessstreifen, die komplementär auf Zugund Druck beansprucht werden
• Kraftmessung - Druckmessung 1 mbar = 102 Pa, 1 bar = 105 Pa  Druck auf definierte Fläche wirken lassen Auslenkung von Feder, -balg,...  Zeiger Skala (Weg, Winkel) meist Messung relativ zu Referenzdruck:• Atmosphäre• Differenzdruckmessung (Überdruck, Unterdruck)• Druck 0  Absolutdruck
• Druckmessung Druck wirkt auf die Stirnfläche einesgewichtsbelasteten rotierenden Kolbens, derin einem senkrecht stehenden Zylinder freibeweglich ist. Das Druckmedium, Gas oder Flüssigkeit,entweicht durch den sehr engen Spaltzwischen Kolben und Zylinder(Spaltweite < 1 μm) und verhindert imBetrieb den direkten Kontakt zwischenbeiden Komponenten. Die auf den Kolben wirkende Kraft istaus Wägungen mit einer relativenUnsicherheit von 1 · 10-6 oder besserbestimmbar.

back  |  next 2 / 3