Prof. Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. Edmund Schiessle. Industriesensorik. Automation, Messtechnik, Mechatronik. Vogel ßuchverlag

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1 Prof. Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. Edmund Schiessle Industriesensorik Automation, Messtechnik, Mechatronik Vogel ßuchverlag

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 1 Begriffe der Sensorinesstechnik, Sensorfertigung und Sensoranwendung Systematik der Sensorsignale Vom Elementarsensor zum Sensorsystem Sensorterminologie und Sensortechnologie Messtechnische Begriffe der Sensorik Messabweichungen für Einzelmesswerte und Messweitverknüpfungen.' Systematische Messabweichungen bei Einzelmesswerten Zufällige Messabweichungen bei Einzelmesswerten Messunsicherheiten Fehlerfortpflanzung von Messabweichungen bei Messungen Messabweichungen bei Messketten Messtechnische Eigenschaften von Sensoren und Messmitteln Statische Messabweichungen Dynamische Messabweichungen Korrektur statischer und dynamischer Messabweichungen Störsicherheit und Zuverlässigkeit Praktische Zusammenstellung und Auswahlkriterien für Messgrößen und Sensoren Zusammenstellung von Sensor- und Messgrößenanwendungen Auswahlkriterien für Sensorentwicklungen und Sensoranwendungen 62 2 Mechanoresistive Sensoren Positionsresistive Sensoren (resistive.aufnehmer / Sensoren) Linearpotentiometer und Winkelpotentiometer Dehnungsresistive Sensoren (dehnungsresistive Aufnehmer) Metall-DMS und Halbleiter-DMS Piezoresistive mikroelektromechanische Sensoren 97 3 Elektromechanische Induktionssensoren Induktionsspulensensor (Pick-up) (Induktionssensor) Schwingspulensensor (Schwingspule) Magnetflussspulensensoren Differentialtransformator (LVDT: linearer variabler Differentialtransformator) Resolver Inductosyn Elektromechanische Induktivsensoren Längsanker-1-Spulen-Sensor (Längsankeraufnehmer, induktiver Wegsensor, Wegaufnehmer) ^ 4.2 'Längsanker-Differenzspulensensor (Längsanker-Differenzwegaufnehmer) j^ueranker-1-spulen-sensor (Qüerankeraufhehmer) 142

3 4.4 Queranker-Differenzspulensensor (Differential-Querankeraufnehmer, Differential-Queranker-Geber) Elektromechanische Wirbelstromsensoren Längsanker-Wirbelstromsensor (Wirbelstrom-Längsankersensor) Queranker-Wirbelstromsensor (Wirbelstrom-Querankeraufnehmer) Induktive Positionssensoren (Näherungsschalter/Initiatoren) Induktive Initiatoren Wirbelstrominitiatoren Magnetfeldsensoren WiEGAND-Sensoren und Impulsdrähte Magnetfeldsensoren mit amorphen Metallen Magnetfeldpositionssensoren Galvanomagnetische Sensoren Galvanomagnetische Effekte und Technologien HALL-Sensoren und HALL-Differenzsensoren Magnetoinduktions-Durchflusssensoren (MID) Feldplatte (FP) und Differenzfeldplatte (FFP) XMR-Sensoren IMR-Sensoren (isotrope magnetoresistive Sensoren) AMR-Sensoren ohne Strukturgeometrie AMR-Sensoren mit Strukturgeometrie AMR-Sensoren mit BARBER-Pol-Strukturgeometrie (Version BARBER-Pole) (AMR-Sensoren mit BAJRBER-Polen, BARBER-Pol-Sensor, Widerstandstreifen mit BARßER-Polen) AMR-Sensoren mit speziell optimierter Barber-Pol-Strukt urgeometrie (Version Pseudo-HALL) (Pseudo-HALL-Sensoren) GMR-Sensoren GMI-Sensoren CMR-Sensoren TMR-Sensoren Nanomagnetfeldsensoren (Nanosensoren) SQUID-Sensoren Reedsensoren Magnetoelastische Sensoren Magnetoelastischer Effekt und Technologie Pressduktoren, Magnetoelastisch-induktive Kraftelementarsensoren (magnetoelastische Kraftsensoren./ Kraftaufnehmer) Magnetoelastische Druckelementarsensoren (magnetoelastische Drucksensoren / Druckaufnehmer) Magnetoelastische Drehmomentelementarsensoren (magnetoelastische Drehmomentsensoren / Drehmomentaufnehmer) Kapazitive Sensoren ' 259 I 10.1 Kapazitive EMS-Sensoren Kapazitive EMS-Differenzwegsensoren / (kapazitive Wegsensoren) 260

4 Kapazitive EMS-Drucksensoren (kapazitive Drucksensoren).', Kapazitive EMS-Füllstandsensoren (kapazitive Füllstandsensoren) Kapazitive MEMS-Näherungsschalter (kapazitive Näherungsschalter) Elektrische und elektronische Schaltungen für kapazitive Elementarsensoren Kapazitive MEMS-Sensoren Kapazitive MEMS-Drucksensoren Kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren Applikationsbeispiele abgewandelter MEMS-Sensortypen Kapazitive MEMS-Vibrationselementarsensoren Kapazitive MEMS-Neigungswinkelsensoren (Inklinometer) (kapazitive Neigungswinkelsensoren, MEMS-Inclinometer) Kapazitive MEMS-Drehratensensoren (Gyroskope) (kapazitive Drehratensensoren, kapazitives monolithisches Gyroskop, mikromechanische Inertialsensoren, Gyrometer) EMS-Mikrofone (MEMS-Schallsensoren) Piezoelektrische Sensoren Physikalische, mathematische, technologische und messtechnische Grundlagen Technische Bauformen von piezoelektrischen Elementarsensoren Piezoelektrische Kraftelementarsensoren (piezoelektrische Kraftsensoren / Kraftaufnehmer) Piezoelektrische Druckelementarsensoren (piezoelektrische Drucksensoren / Druckaufnehmer) Piezoelektrische Beschleunigungselementarsensoren (piezoelektrische Beschleunigungssensoren / Beschleunigungsaufnehmer) Elektronische Auswerteschaltungen für piezoelektrische Elementarsensoren Spannungsverstärker (Elektrometerverstärker) Ladungsverstärker ICP-Sensoren Technische Daten ausgewählter piezoelektrischer Sensoren Optische und optoelektronische Sensoren Optische und elektrophysikalische Grundlagen Photoelektrische Effekte Sensoreffekte 319!2.4 Photozelle (Vakuumphotozelle) Photomultiplier (Sekundär-Eelektronenvervielfacher) Photowiderstand (photoresistiver Elementarsensor) Photodioden und Photoelemente l' PN-Photodioden Photoelemente Positionsempfindliche Photodioden ; (PSD - Position Sensitiv Detector) Lateraleffekt-PSD(Lateraleffekt-Photodiode) Segmentierte PSD (segmentierte Photodiode) 332

5 12.9 Bildsensoren (CCD, CMOS) l CCD-Büdsensoren 333 i CCD-Farbsensoren Weiterentwicklungen 334! Lichtwellenleiter (LWL) (Glasfasern) : 334 i Lichtwellenleitertypen ' (Multimode, Monomode, geometrisch) ' Optische und optoelektronische Sender 338 ;, Glühlampen und Metalldampflampen Lichtemittierende Dioden (LED) Halbleiterdiodenlaser (Injektionslaser) Optische und optoelektronische Anwendungen Lichtschranken Reflextastköpfe (Reflexlichtschranken, optische 1 Reflextastköpfe).', 343 : Störunterdrückung bei Lichtschranken und Tastköpfen Lasertriangulationssensoren Inkrementale Messeinrichtungen (Weg, Winkel, Drehzahl) (inkrementale Sensoren, incremental length or angle measuring device) Hybridoptische Sensoren (Abstand, Druck, Füllstand) Faseroptische Sensoren (Monomode, 2-Strahl-Interferometer, Kreisel) Monomodesensorik Strahl-Interferometer (MICHELSON, MACH-ZEHNDER, Kreisel) (Zweistrahlinterferometer) 352 i 13 Temperatursensoren...' Kontaktthermometrie Temperaturmessung in und an Festkörpern Temperaturmessung in Flüssigkeiten Temperaturmessung in Gasen und Dämpfen Kontaktthermometrische Sensoren Thermoresistive Metallsensoren (Metallwiderstandsthermometer) (thermoresistive Sensoren, Widerstandthermometer) Thermoelektrische Sensoren (Thermoelemente) 372 \ 13.3 Strahlungsthermometrie Gesamtstrahlungspyrometer Teilstrahlungspyrometer Schallsensoren (Schallmikrofon) 387»_ 14.1 Allgemeine Grundlagen Physikalische Einteilung der Schallfrequenzbereiche 387 i Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Schalls in verschiedenen Medien 387 ; / 14*1.3 Schallfeld 388 ; 14.2 Hörschallsensoren (Luftschall sensoren) 391 i, Elektrodynamische Hörschallsensoren! > a (elektrodynamisches / dynamisches Mikrofon) 392 I Elektromagnetische Hörschallsensoren jp (dynamisches Luftschallmikrofon) 395

6 Elektrostatische-Hörschallsensoren (Kondensatormikrofon) Kondensatormikrofone (elektrostatischer Schallsensor) 396 j Piezoelektrische Hörschallsensoren, (piezoelektrisches Mikrofon / Piezomikrofon) Spezielle Schallsensoren Körperschallsensoren Wasserschallsensoren (Hydrophone) 407 i 14.4 US-Sensoren (Ultraschallsensoren) US-Abstandsensoren (UltraschallTAbstandsensoren) US-Füllstandsensoren (Ultraschall-Füllstandsensoren) US-Durchflusssensoren (Ultraschall-Durchflusssensoren) US-Volumenstrommessung 418 j Akustische und US-Mikroskope (Ultraschall-Mikroskope) Pneumatische Sensoren Staudrucksensoren (Staudüsen) (pneumatische Staudruckgeber) Ringstrahlsensoren (Ringstrahldüsen) Pneumatische Luftschrankensensoren (Luftschranke) Kerntechnische Strahlungssensoren (kernphysikalische Sensoren) Sicherheitstechnik Kernstrahlungsdetektoren (Kernstrahlungssensoren) in der Technik Ionisationskammern Ionisationskammer mit Strombetrieb (Strornionisationskammer) Ionisationskammer mit Impulsbetrieb (Ipulsionisationskammer / -Detektor) Zählrohre Proportionalzählrohr GEIGER-MÜLLER-Zählrohr (GM-Zählrohr) Halbleiterstrahlungssensoren (Halbleiterdetektoren) (Halbleiterzähler) Ge(Li-)Sensor und HPGe-Sensor (-Detektor / -Zähler) Volumensperrschicht-Halbleitersensor (Sperrschichtdetektor) Oberflächensperrschicht-Halbleitersensor mit pn-übergang (pn-oberflächensperrschichtdetektor / -Zähler) Szintillationszähler (Szintillationssensoren) Zusammenstellung der messtechnischen Eigenschaften und Strahlungssensoren Chemosensoren (chemische Sensoren) Chemische, physikalische und messtechnische Grundbegriffe und Grundlagen Leitfähigkeitssensoren für Fllissigelektrolyte Konduktive 2-Elektroden-LF-Sensoren für Flüssigelektrolyte (konduktive Sensoren, LF-Sensoren) Konduktive 4-Elektroden-LF-Sensoren für Flüssigelektrolyte (kon- : duktive Sensoren, LF-Sensoren) Kontaktfreie, elektrodenlose LF-Induktionssensoren für -* Flüssigelektrolyte (induktive LF-Sensoren) 479

7 17.3 Konzentrationssensoren mit ionenselektiven Elektroden für Flüssigelektrolyte (ionenselektive Sensoren) ph-wert-sensor mit protonenselektiver Glasmembran (ph-(sensitive) Glasmembran, ph-meter, ph-sonden) Konzentrationssensoren mit ionenselektiven Festkörpermembranelektroden (ionenselektive Elektroden) Konzentrationssensoren mit ionenselektiven Flüssigmembranelektroden (ionenselektive Sensoren), lonenselektive Feldeffekttransistoren (ISFET) Messverfahren Nicht elektrochemische Sensoren zur ph-wert-messung Redoxpotentialsensoren Gassensoren Elektrochemische Gassensoren Elektrochemische 2- und 3-Elektroden-Zellen (elektrochemische Zwei- und Drei-Elektrodenzelle) ' CLARK-Elektrode Elektronische Gassensoren (Halbleitergassensoren) Metalloxid-Halbleitergassensoren Pellistorsensoren (Pellistoren) Metallisolatorgassensoren (metal oxide-based gas sensor, isolated gas sensor) Festkörperelektrolytgassensoren (Festkörper-Gassensoren, Festelektrolyt-Gassensoren) NERNST-Sonde (Sauerstoffsensor) ' Lambdasonden Feuchtesensoren (Feuchtigkeitsensoren) Grundbegriffe Messprinzipien für Feuchtesensoren Chemische Messprinzipien Physikalische Messprinzipien Messgrößen in der Feuchtemesstechnik Messgrößen für gasförmige Stoffe Messgrößen für flüssige und feste Stoffe Kalibrierung Messen mit Feuchtesensoren KEiDEL-Messzelle (coulometrischer Feuchtesensor) Lithiumch1orid-(LiCl-)Feuchtesensor." Resistive Feuchtesensoren (resistive Keramikhygrometer) Kapazitive Feuchtesensoren Prozesshygrometer \ Handmessgerät zur Messung von relativer Luftfeuchte und Temperatur Feuchtesensor für den Hochtemperarureinsatz Biosensoren (biologische Sensoren) Grundbegriffe, Systematik der Biosensoren Biophysikosensoren (biophysikalische Sensoren) ' Biochemosensoren (biochemische Sensoren)? (biochemische Sensoren auf Basis enzymatischer-katalyse)

8 OB Bioelektroniksensoren (bioelektronische Sensoren) (ionensensitive Feldeffekttransistoren - ISFET) Sensortechnische Applikationen 574 Weiterführende Literatur 579 Patentschriften des Autors 581 Stichwortverzeichnis 585