Sensoren- und Signalauswertung (Fach) / die Vorlesung WS2015 an der TUC (Lektion)

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• Kalibrieren Definition Möglichkeiten zu r Kalibrierung Messergebnis 1) Definition: Feststellen des Zusammenhangs zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße;     wahrer Wert der Messgröße -> Sensor -> Sensorsignal 2) Möglichkeiten zur Kalibiereung: -Vergleich mit Präzisionsgerät ( Einheiten genauer als sensor) -Vermessung eines Normals (hochwertigste Form, aber extrem teuer, z.B. benötigt Durchflusssensor Laminarströmung zur Kalibrierung) 3) Messergebnis ein einzelner Messwert oder das mit Hilfe mathematischer Beziehungen aus mehreren Werten ermittelte ErgebnisPhysikalische Größe = Zahl * Einheit I/A oder i in A nicht I[A]
• Eichen Feststellung durch Eichbehörde, dass ein Messgerät den gesetzlichen Vorschriften und Anforderungen genügt
• Justieren Einstellen eines Messsystems, um Messabweichungen auf Werte zu bringen, die den technischen Forderungen entsprechen Messgröße -> Sensor -> Ausgangssignal -> Korrekturfkt -> korrigierter Wert Bsp: Berechnung der aktuellen Sensorparameter (Ausgleichsrechnung)Kennlinienkorrektur Swahr= m SSensor                               m: Korrekturfaktor
• Systematische Messabweichung sind in Amplitude, Vorzeichen und Zeitpunkt ihres Auftretens bekannt und vorhersehbar
• Zufällige stochastische Messabweichung Definition durch.... Eliminieren durch... können in mindestens einem der Merkmale Amplitude, Vorzeichen oder Zeitpunkt ihres Auftretens nicht vorhergesagt werden & sind durch nicht erfassbare/ beeinflussbare Änderungen hervorgerufen zB duch: Wdh der Messung Rauschen in der Signalübertragung, in der Spannungsversorgung, ... Rauschen in der Umgebung (z. B.Umgebungsrauschen eines Mikrophons) -> Charakterisieren: Verteilungsfunktion Mittelwert Standardabweichung
• Messgenauigkeit Definition:Maß der Annäherung des Messergebnisses an den wahren Wert der Messgröße Ungenauigkeit= systematsich + zufällig
• Temperaturmessung - Messprinzipien Ausdehnung von Gas, Luft, Festkörper  über Abstand Widerstandsänderung •Metalle•Silizium Bimetall über Längenänderung Thermoelement (Seebeck-Effekt) über Spannung Heißleiter über R PN- Übergänge über Spannung
• Statische Eigenschaften - Empfindlichkeit auf Einflussgrößen - Definition Sensorsignal ändert sich aufgrund anderer Größen, die von der Messgröße unterschiedlich sind
• Statische Eigenschaften - Auflösung/ Ansprechschwelle Definition: kleinste Änderung des Wertes der Eingangsgröße, die zu einer erkennbaren Änderung des Wertes der Ausgangsgröße eines Sensorsystems führt typische Angabe:xx MessgrößeBeispiel Auflösung einer Personenwaage: 100 gxx % vom Messbereichsendwert Stellenanzeige: kleinster mit dem Auge erkennbarer Ausschlag Ziffernanzeige: Wert der letzten Stelle Beispiel: Potentiometer: Signal ändert sich stufenweise Beispiel: A/D- Wandler ( n =8 Bit = Auflösung); LSB Last significant bit;
• Sensortechnologie Produktentwicklung, Nutzen- Kosten- Verhältnis Entwurfsstrategien(Bottomup, topdown) Entwurfsprozess (materialien, Simulation, Technologie)
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• Vorteile der Miniatuarisierung Integration von mikromech. Strukturen zusammen mit elekt. Schaltungen Kleinere Abmessungen Geringere Kosten (Integration vieler Prozessschritte in Batchfertigung) Niedriger Energieverbrauch Bessere Zuverlässigkeit (Wegfall von Verbindungselementen) Funktionalität (Integration von Elektronik und Mechanik) Kurze Reaktionszeiten (kleine Wege, Massen & therm.Trägheit)
• Vergleich: Heißleiter unterscheidet darin vom Widerstandsthermometer: Temperaturkoeffizient ist negativ Empfindlichkeit 10mal höher als bei Platin Nichtlinearität ist größer Widerstand der Zuleitungen vernachlässigbar Heißleiter oft als kleine Perlen gefertigt, ihre Zeitkonstante ist i.d.R. kleiner Herstellungskosten größer (Abgleich oder Selektion notwendig)
• Klassifikation von Sensoren: Klassifikation von Sensoren: Messgröße  in VL nach MessgrößeSensorprinzip  Sortieren nach Prinzip ungünstig für spätere Anwendung & Problemlösung wenn Größe relevant Herstellungstechnologie
• Vorselektion eines Sensors Kriterien Einsatzbedingungen ( Temp, schmutz, platz, Kontaktierung) Kosten (Wirtschaftlichkeit langzeitstabilität) Konstruktion ( Abmessungen, Integrierbarkeit)
• Sensor Teil einer Messeinrichtung der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht System, das eine physik. Größe und deren Änderung in geeignete Signale umwandelt Bsp: R ändert sich mit T
• Messprinzip physi. Prinzip oder gesetzmäßiger Zhg, der für jeweiligen genutzt wird nichtelektrisches Signal -> Verknüpfung -> analoges elektr. Signal Bsp:piezoelektrischer Effekt, Induktionsgesetz, DMS
• Messprinzipiel Resistiv – T, Position, F, p, a, Gas, BKapazitiv – Position, F, p, a, GasInduktiv – Position, F, p, a, Q, B  Durchfluss… I/U – T, F, p, a, Q, Bn/f/T – Position, Q
• Rückwirkung auf Messobjekt: Energiefluss vom Messobjekt zum Sensor Änderung der Messgröße durch AufnehmerSystem. AbweichungBsp.: Temperatursensor muss sich erst an Umgebungstemperatur angleichen  Verfälscht Messgröße
• Signal Definition Unterschied zum Zustand Siagnalparameter eine von einer physik. Größe getragene Zeitfunktion, die eine Parameter I hat, der den Wert und den Verlauf der interessierenden Größe abbildet Signal = Nutzsignal + Störsignal signal != Zustand ( nicht Zeitabhängig) Signalparameter ( Merkmal/Eigenschaft): Frequenz bzw. Periode Amplitude Phase Signalmittelwert Sgnaltrend
• Signalparameter, Merkmal, Eigenschaft: Frequenz bzw. SchwingungsdauerAmplitudePhase                                                                         Signal = Nutzsignal + StörsignalSignalmittelwert                                                        Signal Zustand (ändert sich nicht mit t)Signaltrend
• Frequenz, Amplitude, Phase sind ... Die meisten Sensorsignale sind ... kontinuierliche Funktionen wert- & zeitkontinuierlich
• Frequenz, Amplitude, Phase sind kontinuierliche Funktionen  unendlicher Wertevorrat  analoge zeitkontinuierliche Signale Vorteil: Informationsparameter ist proportional zur MessgrößeNachteil: störungsanfällig
• Lineare Sensoren: Kennlinienmodell: Nullpunkt (auf y- Achse=sensorsignal) liegt nicht bei absolut 0, sonder bei x=0(Messgröße)=e0... Steigung/ Übertragungsfaktor x -> k -> y y=kx+e0
• Möglichkeiten der Linearisierung Vorteile 1) Tangente durch Arbeitspunkt2) Festpunktmethode (Gerade durch Messbereichsanfang & -ende)3) Gerade durch Messbereichsanfang und Arbeitspunkt4) Toleranzbandmethode (z.B. durch Minimieren des maximalen Fehlers am Arbeitspunkt                                            in bestimmten Messbereich)5) Gerade durch Messbereichsanfang mit Steigung wie am Messbereichsanfang                 - Linearisierung heißt immer Fehler !!- Vorteile: einfacher, analoge Auswertung möglich
• Kalibrieren- Messergebnis ein einzelner Messwert oder das mit Hilfe mathematischer Beziehungen aus mehreren Werten ermittelte ErgebnisPhysikalische Größe = Zahl * Einheit         I/A oder i in A nicht I[A]
• Messunsicherheit Messwert +- Messabweichung ( Restabweichung, unbekannte sys. Abweichung, Mitteln)                               |           systematisch + zufällig zufällig: Mitteln systematisch: bekannt + unbekannt bekannt: Korrektur druch Kalibration -> korrigerter= kalibiererter Messwert Restabweichung
• Justieren Vorgang Berechnung der aktuellen Sensorparameter (Ausgleichsrechnung)Kennlinienkorrekturm…KorrekturfaktorJustieren Vorgag
• Systematische und zufällige Messabweichungen Abslut Relativ
• Systematische Messabweichung Definition Beispiele Eleminieren durch... sind in Amplitude, Vorzeichen und Zeitpunkt ihres Auftretens bekannt und vorhersehbar zB:Einfluss andere Größen (T) Drift/Alterung Messung verändert Messgröße Menschlicher Beobachter (Skalenfehler) -> Vermeiden Kompensieren eliminieren dirch Signalverarbeitung
• Systematische Messabweichung durch... ...Einfluss anderer GrößenDrift (z.B. Alterung)Messung verändert MessgrößeApplikation an der AnwendungÜbertragungsprozess verändert das Signal (z.B. Dämpfung)Schnittstelle zur MessgrößeDynamische EigenschaftenHystereseQuantisierungsfehlerNichtlinearitätMenschliche BeobachterVermeiden, Kompensieren, Eliminieren durch SV
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• Zufällige stochastische Messabweichung - Definition können in mindestens einem der Merkmale Amplitude, Vorzeichen oder Zeitpunkt ihres Auftretens nicht vorhergesagt werden & sind durch nicht erfassbare/ beeinflussbare Änderungen hervorgerufen
• Zufällige stochastische Messabweichung durch... Wiederholung der MessungRauschen in Signalübertragung, Spannungsversorgung, Umgebung, …noch nicht erkannte/ noch nicht messbare systematische Fehler Charakterisieren (Verteilungsfunktion, Mittelwert, Standardabweichung)
• Messabweichungen am Beispiel der R-messung durch I-U-Messung U angelegt und I an Messgerät ablesen Systematische Abweichung durch: Kalibrierfehler des MessgerätesErwärmung des R durch zu hohen I Zufällige Abweichung durch: Rauschen der SpannungsquelleSchwankungen der Umgebungstemperatur
• Messabweichung bei linearen Sensoren: Nullpunktabweichung:Abweichung d. Übertragungsfaktor: Un-)bekannte Fehler – Messunsicherheit # Messgenauigkeit – Maß der Annäherung des Messergebnisses an den wahren Wert der MessgrößeUngenauigkeit = syst. Abw. + zuf. Abw.
• Klassifikation von Sensoren 1) Grundlegendes Prinzip (resistiv, kapazitiv, induktiv, elektrochemnisch, optisch) 2) Informationstechnische Sichtweise (Signalart ( Analog /Binär/Digital), Systemfähigkeit (busfähig / nicht busfähig), Signalparameter) 3) Energieversorgung (aktiv  Sensor wird mit Energie versorgt, passiv        z.B.Piezoelektrische Elemente Thermoelement – generieren Signal von selbst) 4) Entwicklungsstufe (elementar – nur Signalerfassung, integriert – SE +Signalaufbereitung,    intelligent – SE + SAUFB + Signalauswertung) 5)Anwendung (KFZ, Umwelt, Medizin, Gebäudetechnik, Forschung & Entwicklung)
• Resistive Sensoren Grundlegendes Prinzip Veränderung Geometrie (l,A)  Messung von Dehnung, Kraft, …Veränderung Leitfähigkeit (Beweglichkeit von e- in Metallen)  Messung von Temperatur, Gasen, …
• Kapazitiv Vorteil Varianten Vorteil: sehr leicht realisierbar Abstandsänderung  mit lineare Änderung des Sensorsignals; Abstand, Position, Materialdicke (z.B. Druckmessung) Flächenänderung  Abstand, Position (z.B. Messung von Verschiebung) Änderung im Dielektrikum  Füllstand, Feuchte, Sichtdicke (z.B. Detektion von Eis an Flugzeugtragoberflächen) Änderung im Streufeld  Detektion von leitendem Material (z.B. Schutz von Gemälden in Museen)
• Klassifiktation von Sensoren aus Informationstechnischer Sicht (Signalart, Systemfähigkeit, Signalparameter) Signalart : wertkontinuerlich - wertdiskret - zeitkontinuerlich- zeitdiskret Systemfähigkeit: busfähig-nicht busfähig Ausgangssignal Analog (Temperatursensor), binär (Überfüllsensoir), digtal (Waschmaschinensensor)
• Klassifikation von Sensoren nach Energieversorgung Aktiv: Sensor wird mit Energie versorgt passiv: generiert Signal von selbst (zB piezoelektr Elemente, Thermoelement, Surface Wafe)
• zur Energieversorgung Bsp: Surface Acustic Wafe Sensoren BatteriefreiE aus Sendeeinheit ->AbfragesignalEingehende Welle in akustische Oberflächenwelle umwandeln -> Reflektoren liefern Signalpieks (Amplitude, f, Phase, t)Vorteile: mehrere Messungen hintereinander, SV leichterBsp. Fenster putzen mit Akustikwellen
• Klassifikation von Sensoren - Entwicklungsstufen elementar – nur Signalerfassung integriert – Signalerfassung +Signalaufbereitung intelligent – Signalerfassung + Signalaufbereitung + Signalauswertung
• 5. Anwendung KFZ Umwelt Medizin Gebäudetechnik Forschung Entwicklung
• Aufbau Sensorsystem Messgröße + Einflussgrößen -> Sensorelement Sensorelement -> 1) Betriebsschaltung 2) Sensor-Schnittstelle (hier ggf. -> Anregung-> Sensorelement) -> Analoge Signalverarbeitung (-> Amplitude/Frequenz) -> A/D- Wandlung -> Digitale Signalverarbeitung
• Intelligente Sensoren: Intelligenz die Fähigkeit zu begreifen,zu verstehen und zu profitieren von Erfahrungen im Handeln mit neuen Situationen oder Versuchen
• Arten von Sensoreigenschaften 1) Statische Eigenschaften (Empfindlichkeit, E. auf Einflussgrößen, Auflösung, Reproduzierbarkeit, Linearität, Hysterese, Drift, Ausfall) 2) Dynamische Eigenschaften (Reaktionszeit, Systeme n-ter Ordnung)
• Sensoreigenschaften Vorselektion Einsatzbedingungen: T, Schmutz, KontaktierungKosten: Wirtschaftlichkeit, Langzeitstabilität, …Konstruktion: Abmessungen, Integrierbarkeit, Erschütterung
• Sensoreigenschaften - Typischer Werte Statische Eigenschaften: Messbereich in °C, |Signal|, Messabweichung = Linearität, Temperaturkoeffizient = Empfindlichkeit, Selbsterwärmung = indirekte Info, wie viel I geht Dynamische Eigenschaften: Ansprechzeit (zB in vers. Medien), Messstrom bei vers. R siehe VL 2 Datenblätter (Widerstandsthermometer (Pt100), kapazitiver Füllstandsensor, Temperaturfühler)
• Statische Eigenschaften Empfindlichkeit Empfindlichkeit auf Einflussgrößen Auflösung/ Ansprechschwelle Reproduzierbarkeit/ Wiederholbarkeit Linearität Hysterese Alterung/ Drift Ausfall
• Statische Eigenschaften - Empfindlichkeit Definition Empfindlichkeit und Messgenauigkeit Empfindlichkeit auf Einflussgrößen Querempfindlichkeit Definition: Änderung des Signals bezogen auf die verursachende Änderung des Wertes der Eingangsgröße Beispiel Heißleiter: (hohe E erwünscht); Kleiner Messbereich; Sehr begrenzter Temp.bereich, danach unempfindlicher Empfindlichkeit und Messgenauigkeit: beobachtbare Änderung des Sensorsignals entspricht einer kleineren Änderung der Messgröße bei empfindlicheren Sensorsystemen     Ähnlich führt Messabweichung am Ausgangssignal zu einer kleineren Abweichung der  Messgröße Empfindlichkeit auf Einflussgrößen: Sensorsignal ändert sich aufgrund anderer Größen, die von der Messgröße unterschiedlich sind. (Z.B Tempeinfluss durch Änderung der Materialeigenschaft) Querempfindlichkeit Empfindlichkeit gegenüber anderen Messgrößen (Interfering inputs)
• Statische Eigenschaften - Empfindlichkeit und Messgenauigkeit Änderung des Sensorsignals entspricht einer kleineren Änderung der Messgröße bei empfindlicheren SensorsystemenÄhnlich führt Messabweichung am Ausgangssignal zu einer kleineren Abweichung der Messgröße

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