Sensortechnik/Applikation

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1 Einführung: Sensortechnik/Applikation Einführung Prof. Dr. H. Gebhard FB 3 3. April 2011 Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

2 Einführung: Inhaltsübersicht Einleitung Anwendungsbereiche Grundbegriffe Grundschaltungen der Sensorik Funktionen Signalerzeugung Spannungsquellen Stromquellen Operationsverstärker Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

3 Einführung: Einleitung Anwendungsbereiche Einleitung Kein technisches System ohne Sensoren! Nutzungsfelder für Sensoren: Personenschutz Anlagenschutz Steuerung und Regelung Visualisierung Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

4 Einführung: Einleitung Anwendungsbereiche Personenschutz Erfasste Größe: Anwesenheit von Personen Geeignete Sensoren: (Beispiele),,Totmannschalter Bewegungsmelder Lichtschranken und Lichtvorhänge Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

5 Einführung: Einleitung Anwendungsbereiche Anlagenschutz Erfasste Größen: Temperatur, Füllstand, Geräusch,... Geeignete Sensoren: (Beispiele) Thermoelement, Thermistor,... Ultraschall-Entfernungssensor, Drucksensor,... Mikrofone Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

6 Einführung: Einleitung Anwendungsbereiche Steuerung und Regelung Erfasste Größen: Temperatur, Druck, Drehzahl, Kraft, Anwesenheit von Material, Feuchtigkeit,... Geeignete Sensoren: (Beispiele) Thermoelement, Thermistor,... Drucksensor,... Induktive, kapazitive und Ultraschall-Entfernungssensoren und Näherungsschalter Kraftsensoren, Dehnungsmessstreifen Feuchtesensoren Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

7 Einführung: Einleitung Grundbegriffe Definitionen Sensor-Element Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften sich mit der zu erfassenden Größe ändern. Sensor Einheit aus Sensor-Element und zugehöriger Auswerte-Elektronik (,,Signal-Aufbereitung ). Sensorsystem Kombination eines oder mehrerer Sensoren mit Informationsverarbeitung (z.b. Taupunkt-Sensor) Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

8 Einführung: Einleitung Grundbegriffe Messkette Abb. 1: Messkette in der Sensortechnik Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

9 Einführung: Einleitung Grundbegriffe Empfindlichkeit Änderung der Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der zu erfassenden Messgröße x 0. Das Ausgangssignal eines Sensors ist i.d.r. nicht nur von der zu erfassenden Größe x 0 abhängig, sondern es ist: A = A(x 0, x 1,...) Die Empfindlichkeit s beträgt: s = A(x 0, x 1,...) x 0 Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

10 Einführung: Einleitung Grundbegriffe Quer-Empfindlichkeit (Unerwünschte) Änderung der Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einer nicht zu erfassenden Messgröße x i mit i 0: Die Quer-Empfindlichkeit s q,i beträgt: s q,i = A(x 0, x 1,...) x i für i 0 Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

11 Einführung: Einleitung Grundbegriffe Sensor-Elemente Man unterscheidet Analoge Sensor-Elemente Widerstände (z.b. Thermistoren, Dehnungs-Messstreifen), Kondensatoren, Induktivitäten, Hall-Elemente, Thermoelemente,... Digitale Sensor-Elemente Sensor-Elemente mit 1 Bit Information (Schalter, Taster, Hall-Sensoren,...) Sensor-Elemente mit mehr als 1 Bit Information (z.b. Codierscheiben ) Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

12 Einführung: Grundschaltungen der Sensorik Funktionen Sensor-Aufbau Ein moderner Sensor kann folgende Komponenten oder Funktionsblöcke enthalten: Sensor-Element (analoge) Signalaufbereitung Analog-Digital-Wandler (kann nur Spannungen messen) Ausgangs-Treiber Bus-Anschaltung Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

13 Einführung: Grundschaltungen der Sensorik Funktionen Schaltungsfunktionen Analoge Schaltungsfunktionen Signalerzeugung (Spannung, Strom, Frequenz) Pegelanpassung Verstärkung Analoge oder digitale Schaltungsfunktionen Filterung (Ziel: Reduktion von Störsignalen) Linearisierung (Ziel: konstante Empfindlichkeit) Kompensation (Ziel: Elimination der Quer-Empfindlichkeit) Kalibirierung Digitale Schaltungsfunktionen Selbstüberwachung Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

14 Einführung: Signalerzeugung Spannungsquellen Einfache Spannungsquelle Ausgangsspannung: U aus = U Z U BE Abb. 2: Einfache Spannungsquelle Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

15 Einführung: Signalerzeugung Spannungsquellen Low-Drop Spannungsregler Ausgangsspannung: U aus R 4 R 3 + R 4 = U BE (T 2 ) U aus = ( 1 + R ) 3 U BE (T 2 ) R 4 Abb. 3: Low-Drop Spannungsregler Integrierte Spannungsregler arbeiten an Stelle von U BE (T 2 ) mit einer stabilisierten Referenzspannung. Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

16 Einführung: Signalerzeugung Stromquellen Einfache Stromquelle Ausgangsstrom: I const = U Z U BE (Q 1 ) R 1 Nachteil: Bei Erwärmung von Q 1 ändert sich seine Basis-Emitter- Spannungen Strom steigt an! Abb. 4: Einfache Stromquelle Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

17 Einführung: Signalerzeugung Stromquellen Verbesserte Stromquelle Trennung von,,fühlertransistor und,,lasttransistor Ausgangsstrom: I const = U BE(Q 2 ) R 1 Erwärmung von Q 1 hat keinen Einfluss auf den Ausgangsstrom! Abb. 5: Verbesserte Stromquelle Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

18 Operationsverstärker (OPV) Einführung: Operationsverstärker Name resultiert aus der Verwendung zur Durchführung von Rechenoperationen in Analogrechnern. Integrierter Differenzverstärker mit so hoher Leerlauf-Verstärkung, dass die Verstärker-Eigenschaften (idealerweise ausschließlich) durch die äußere Beschaltung bestimmt werden. Abb. 6: OPV-Schaltsymbol nach DIN 40900, Teil 10 Abb. 7: OPV-Schaltsymbol nach DIN 40900, Teil 13 Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

19 Einführung: Operationsverstärker Operationsverstärker: Eigenschaften Eigenschaft Ideal Real Leerlaufverstärkung A Eingangswiderstand R E 1 MΩ GΩ Ausgangswiderstand R A 0 Ω 10 Ω... 1 kω Offsetspannung U off 0 V 10 µv mv Die Übertragungsfunktion des idealen OPV lautet: U A = A 0 U D = A 0 (U + U ) Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

20 Operationsverstärker: Übertragungsfunktion Einführung: Operationsverstärker Abb. 8: Übertragungsfunktion eines realen Operationsverstärkers Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21

21 Einführung: Operationsverstärker Operationsverstärker: Invertierender Verstärker Abb. 9: Übertragungsfunktion eines realen Operationsverstärkers Prof. Dr. H. Gebhard Sensortechnik/Applikation 3. April / 21