Seminarvortrag. Themen: Grundlagen der Sensorik & Projekt Kaffeeautomatensteuerung. Autor: Thorsten Knoll Matrikelnummer

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1 Seminarvortrag Themen: Grundlagen der Sensorik & Projekt Kaffeeautomatensteuerung Autor: Thorsten Knoll Matrikelnummer Fach: Embedded Systems Hochschule Rhein-Main Sommersemester 2014 Seite 1 von 20

2 Thema 1: Grundlagen der Sensorik MERGE Thema 2: Kaffeeautomatensteuerung Seminarvortrag Seite 2 von 20

3 INHALT: 1. Definition: Sensoren 2. Sensoren Arten 3. Sensoren Beispiele 4. Ein- und Ausgangsgrößen 5. Auflösungen 6. Der ideale Sensor 7. Kalibrierung und weitere Sensoreigenschaften 8. Signalverarbeitung 9. Fazit 10. Quellen Seite 3 von 20

4 1. Definition: Sensoren Aus dem Lateinischen: sensus - das Wahrnehmen, Beobachtung sentire - fühlen, wahrnehmen Aus Wikipedia (gekürzt): Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das physikalische oder chemische Eigenschaften qualitativ oder quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt. Seite 4 von 20

5 2. Sensoren Arten Mehrere Einteilungsmöglichkeiten: Aktiv (Energiequellen): - Erzeugen Energie (Bsp.: Piezo, Induktion) - Können meistens nur Änderungen detektieren Passiv (Energieverbraucher): - Nur mit äußerer Energiezuführung - Können auch statische Größen erfassen Verwendungszweck: - Einteilung nach der Verwendung des Sensors - Bsp.: Temperatur-, Druck-, Gas-, Lichtsensoren Integration: - Durch elektronische Integration verschwimmt die Einteilung. - Es gilt letztendlich immer die Art des Mess-Bauteils zur Einteilung. Seite 5 von 20

6 3. Sensoren Beispiele Passive Sensoren: Gerät: Waage Kaffeeautomat Kaffeeautomat Kaffeeautomat Sensor: Taster Dehnungsstreifen Wärme- Widerstand Flowmeter Küchenwaage: Mikrotaster: Seite 6 von 20

7 3. Sensoren Beispiele Aktive Sensoren: Gerät: Dyn. Mikrofon Waage Digitalkamera Sensor: Induktionssensor Piezoelektrischer Sensor CMOSsensor Mikrofon: Kamera: Piezosensor: CMOS-sensor: Seite 7 von 20

8 3. Sensoren Beispiele In der Anwendung und im Sprachgebrauch zu beachten: Unterteilung in Aktiv und Passiv hängt oft von der Betrachtungsperspektive ab: Dynamische Mikrofone: CMOS-Sensor: Oft als Passiv bezeichnet, da keine Versorungsspannung notwendig. Photoelektrischer Effekt versus Versorgungsspannung Umkehrbarkeit Sensoren Aktoren: Dyn. Mikrofone und Lautsprecher sind das selbe Prinzip. Piezoelektrik funktioniert in beide Richtungen (Bsp: Braille-Leser) Seite 8 von 20

9 4. Ein- und Ausgangsgrößen Licht (cd) Kelvin (K) Meter (m) Kraft (N) Masse (kg) Spannung (V) Strom (A) IT-Verarbeitung (Bits) Druck (Pa) Aktivität(Bq) Reale Vorgänge und Zustände in Physik und Chemie Abbildung in der Elektrotechnik Abbildung in der Informationstechnik Seite 9 von 20

10 5. Auflösungen Zeitliche Auflösung: - Das kleinste mögliche t gibt die maximale zeitliche Auflösung an. - Bsp. Luftmess-Station: zeitliche Auflösung muss nicht sehr klein sein. - Bsp. Digitalkamera: zeitliche Auflösung bestimmt die minimale Verschlusszeit. Seite 10 von 20

11 5. Auflösungen (Mess-)Werte-Auflösung: - Das kleinste mögliche in gibt die maximale Werte-Auflösung an. - Je größer die Werte-Auflösung, um so genauer kann die Messgröße ermittelt werden. - Bsp. Präzisionswaagen: Selbst kleinste Masse-Unterschiede sollen erfasst werden. - Offset: Grundwert, welcher die unterste Messgrenze darstellt. - Es gibt Sensoren mit infinitesimaler (kontinuierlicher) Auflösung. Seite 11 von 20

12 5. Auflösungen Weitere Auflösungsgrößen: - Spektrale Auflösung: Bandbreite der möglichen Messungen. Beispiele: Oszilloskop, Lichtsensor, Gassensor - Pixelauflösung: Anzahl der Bildpunkte pro Fläche. Beispiel: Digitalkamera Es gibt noch viele weitere Sensor-Kenngrößen ausser dem Auflösungsverhalten. Als Beispiel hier das räumliche Messfeld-Diagramm einer Infrarot-Empfänger-Diode: Diagramme: Seite 12 von 20

13 6. Der ideale Sensor Der ideale Sensor wäre unabhängig von äusseren Einflüssen. hat lineare und monotone Transferfunktionen. hat keine Abnutzungs- oder Alterungserscheinungen. ist Hysterese frei. ist Messfehler frei. erreicht nie die Sättigung. Diesen idealen Sensor gibt es nicht! In der Praxis findet daher ein Verfahren zur Annäherung an den idealen Sensor anwendung: Kalibrierung Seite 13 von 20

14 7. Kalibrierung und Sensoreigenschaften Transferfunktion: - Transferfunktionen (Übertragungsfkt.) können elektrotechnisch und informationstechnisch kalibriert werden. - Ziel ist f(in) 0. Seite 14 von 20

15 7. Kalibrierung und Sensoreigenschaften Hysterese: - Die Kalibrierung der Hysterese in der Transferfunktion setzt das Wissen um die Herkunft oder Laufrichtung vorraus. - Ziel ist: Hysterese 0. Seite 15 von 20

16 7. Kalibrierung und Sensoreigenschaften Sättigung: - Sättigung wird meistens nicht, oder nur sehr begrenzt kalibiert. Normalerweise werden Sensoren ausserhalb der Sättigung betrieben. Seite 16 von 20

17 7. Kalibrierung und Sensoreigenschaften Als Sensoreigenschaften seien hier noch erwähnt: - Wiederholgenauigkeit - Totband - Antwortverhalten, Einschwingverhalten - Verlässlichkeit (mean-time-between-failure, MTBF) Am Beispiel des Kaffeautomaten sind das Flowmeter und der Wärmewiderstand die Sensoren welche einer Kalibrierung bedürfen. Beim Flowmeter müssen die Sensor-Ticks mit der durchgesetzten Menge Wasser abgeglichen werden. Beim Wärmewiderstand müssen die Widerstandswerte für Raumtemperatur, Kaffekoch-Temperatur (90 ) und Dampbrühauslass (110 ) ermittelt werden. In beiden Fällen erfolgt die Kalibierung bei der informationstechnischen Verarbeitung und nicht auf elektrotechnischem Weg. Seite 17 von 20

18 8. Signalverarbeitung Sensor Signal- Verarbeitung Computer Da die meisten Sensoren keine digitalen Signale am Ausgang bereistellen, müssen die Signale oft erst weiter bearbeitet werden um im Computer zur Verfügung zu stehen. Einige der gängigsten Signalverarbeitungen sind: - Analog-Digital-Wandler - Impulszähler - Leistungs- / Spannungs- / Stromanpassungen Seite 18 von 20

19 9. Fazit Sensorik ist ein sehr breites Feld und konnte im Rahmen dieses Vortrags nur sehr oberflächlich betrachtet werden. Auch ist der gesamte Bereich der Biosensorik nicht in die Betrachtungen eingeflossen. Hier hat sich in den letzten Jahren sehr viel getan. Der Mensch findet zuletzt in den Dingen nichts wieder, als was er selbst in sie hineingesteckt hat Friedrich Nietzsche Seite 19 von 20

20 10. Quellen Küchenwaage: Mikrotaster: Mikrofon: Kamera: Piezosensor: CMOS-sensor: Infrarot-Sensor: Alle hier nicht genannten Bilder und Grafiken sind selbst erstellt. Wikipedia war in vielen Dingen eine hilfreiche Nachschlage-Quelle. Besonders erwähnenswert sind die Vorträge von Prof. J. Zhang aus den Jahren an der Universität Hamburg im Fach Angewandte Sensorik. Seite 20 von 20