Intelligente Sensorsysteme

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Intelligente Sensorsysteme"

Helmuth Hausler
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Intelligente Sensorsysteme MEASUREMENT AND SENSOR Univ.-

2 Industrieunternehmen Spanien Italien Sfax- Tunesien International Measurement Confederation Professur für Mess- und Sensortechnik Estland Forschung für die Mess- und Sensortechnik Ingenieurausbildung S. 0-2

3 German IEEE Student Branches (until August 2014) S. 0-3

4 NEW!!! An IEEE Student Branch of Chemnitz is born! Local technical and social activities Exchange with other student branches in Germany, in Region 8 and World Wide Participation to the IEEE Student Conference Financial support from IEEE S. 0-4

Allgemeines Vorlesung und Übung (siehe Vorlesungsplan) Vorlesung: Montag 09.15 10.45 Uhr, 2/W059 Übung: Freitag (1.Wo.) 11.30 13.

5 Allgemeines Vorlesung und Übung (siehe Vorlesungsplan) Vorlesung: Montag Uhr, 2/W059 Übung: Freitag (1.Wo.) Uhr 2/N005 Betreuung der Übungen Dipl.-Ing. Thomas Günther Skripte, Übungen und Infomationen zur Lehrveranstaltung S. 0-5

6 Vorlesungsplan Versionsnummer S. 0-6

7 Lehrstuhl für Mess- und Sensortechnik 3. Semester Semester Semester Smart Sensor Systems (Deutsch/Englisch) Elektrische Messtechnik ET, IKT, MTM, 3 SWS (WS) MNS, MP, ATEN 4 SWS (WS) Sensorsignalverarbeitung MNS 4 SWS (WS) Photonics MNS 2 SWS (SS) Sensoren und Sensorsignalauswertung Automotive Sensors MNS, EVS, ASE 4 SWS (SS) ET/MTM/SpE/CosP 3 SWS (WS) Energiespeichersysteme EET, EM, 4 SWS (SS) Praxisseminar Mess- und Sensortechnik MNS, Informatik, AE 2 SWS (SS) Embedded System Lab ES 2 SWS (SS) Projektpraktikum, Bachelorarbeit, Masterarbeiten Alle Studenten, Projekte in Kooperation mit Industrie S. 0-7

Forschungsgebiete@MST Laser Batterien, DSK Energiemanagement Charakterisierung und

Energiespeicher Energieautarke Sensorik A B Neuartige Messverfahren Neuartige Sensoren

Makro- sowie mikroskopische Analyse Z( ), ( ) < 1µm CNT basierte Sensoren Wirbelstromsensoren

8 Laser Batterien, DSK Energiemanagement Charakterisierung und Modellierung Online Diagnose Energy Harvesting Energiemanagement Drahtlose Sensoren Energiespeicher Energieautarke Sensorik A B Neuartige Messverfahren Neuartige Sensoren AFM-Steuerung IS-basierte Parameterbestimmung Systemmodellierung Impedanzanalyzer HP 4294 A Makro- sowie mikroskopische Analyse Z( ), ( ) < 1µm CNT basierte Sensoren Wirbelstromsensoren Leitfähigkeitssensoren Kapazitive Sensorik Neue Messprinzipien sensornahe Signalverarbeitung Entwurf von Messsystemen S. 0-8

9 System Identification U ~ (f) I ~ (f) -jz / Ω (Imaginärteil) Variation of Frequency Z(jω)=Z (ω)+j Z (ω) ω Z (ω 1 ) Z(ω 1 ) Z (ω 1 ) φ(ω 1 ) Z / Ω (Realteil) R R Impedance Spectroscopy Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology

10 ~ ~ Impedance spectroscopy ~ R C Batteries Sensors Materials & Structures CNT-Dispersions Bio & Medical Cables

08 Prosität Durchtrittsreaktion f Diffusion State-of-health (SOH)

11 Beispiel: Batteriediagnose Im(Z) in W 10 khz 1,2 Ah Li-Ion Endladen, Hz bis 1031 Hz 0 Induktivität Zyklus Prosität Durchtrittsreaktion f Diffusion State-of-health (SOH) State-of-Charge (SOC) 3 mhz [Re(Z) - min(re(z))] in W

Aufbau Bestimmung Innerer Zustände SoH, EoL

12 Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Zerstörungsfreie Diagnose Unabhängig von Zellchemie und Aufbau Bestimmung Innerer Zustände SoH, EoL Herausforderungen Messdauer Komplexität der Hardware Erforderlicher Speicher und Rechenaufwand

13 Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Modellbildung Messung & Verarbeitung Kontakte Elektroden Diffusion Parameterextraktion Zustandsüberwachung (SoH, EoL) Simulation des Zeitbereichsverhaltens Einsatz in Qualifikation und Online-Überwachung reduzierter Anteil a priori-wissen

Diagnose von Energiespeichern Frequenzbereich Impedanzspektrum 0 1000Hz 10.5Hz + Frequenzbereichsmodell Präzise Charakterisierung 0.

14 Diagnose von Energiespeichern Frequenzbereich Impedanzspektrum Hz 10.5Hz + Frequenzbereichsmodell Präzise Charakterisierung 0.1Hz Elektrochemisch-physikalisch basierte Modellierung Im (Z ) / W Z Mess 1Hz 0.01Hz Hz Z model Re (Z ) / W Zeitbereich x n b 0 + a 1 a 2 z -1 z -1 b 1 b 2 + y n Zeitbereichsmodell z. B. digitales Filter Vorhersage der Batteriespannung U/V u Mess u Sim t/s

15 Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Beispiel: Simulation des Batterieverhaltens mittels Impedanz-Ansatz

16 Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Labor > 10k u/i Embedded klein günstig portabel

17 Tower Field Distribution Transmission Line Energy Harvesting Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology

18 System Aspects for Energy Harvesting Availability of Energy Lastcharakteristik t transmit EM-Strahlung t measure P Vibration t t sleep [Kanoun et al., IEEE IMTC 2006] - State of Health - State of Charge Optimisation of Energy Consumption S. 0-18

19 Systeme mit Energy Harvesting Untersuchung Simulation Entwurf Verifikation S. 0-17

20 Energy Harvesting on Power Lines High-Voltage Transmission Network Node 1 Development of an Energy Supply Module for a Wireless Sensor Node on High Voltage Power Lines Node Daten: - Temperature - Inclination - Current Node 3 Node 2 Middle-Voltage Distribution Network Node 4 Gateway (e.g.transformer station) - Energy Converter from Electrostatic Field - Energy Supply for the wireless Sensor Node Tower Field Distribution Transmission Line S. 0-18

21 Induktive Energieübertragung Herausforderung: Geringere Effizienz bei Achenverschiebung großem Abstand Ansatz: MISO- Spulensystem Beispiel: Durchmesser: 30 mm Abstand: 50 mm Achsenverschiebung: 10 mm Effizienz mit SISO : 9,28 % Effizienz mit MISO: 12,5 % S. 0-19

22 Vibrationswandler Wandlereigenschaften: Bewegte Permanentmagneten Fixierte Elektronik Reibarm durch Magnetlagerung S. 0-22

23 Nanocomposite Sensors Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) / Polymer-Drucksensoren Sensorprinzip piezoresistiver Effekt R = f(f Kompression ) Vorteile + einfache Herstellung + gute Handhabbarkeit + kostengünstige Herstellung +

24 Kohlenstoffnanoröhren (CNT) / Polymer-Drucksensoren Sensorprinzip piezoresistiver Effekt R = f(f Kompression ) Vorteile + einfache Herstellung + gute Handhabbarkeit + kostengünstige Herstellung + Druckbar + Empfindlichkeit im zweistelligen Bereich Sensorprinzip: a) Ausgangszustand, keine/wenige Leitpfade, hochohmig b) mech. Belastung, mehrere Leitpfade niederohmig c) Entlastung, keine/wenige Leitpfade, hochohmig S. 0-17

Druckmessung im Spannfutter CNTs in Duroplast-Matrix Vier Interdigital-Elektroden Zwei für Druckmessung Zwei für Kompensation von Einflusseffekten (T, q) Elektrodendimensionen Elektrodenbreite: 150

25 Druckmessung im Spannfutter CNTs in Duroplast-Matrix Vier Interdigital-Elektroden Zwei für Druckmessung Zwei für Kompensation von Einflusseffekten (T, q) Elektrodendimensionen Elektrodenbreite: 150 µm Elektrodenabstand: 100 µm Abstandhalter Schablone Schichtdicke: µm Interdigitales Elektrodenlayout Sensoraufbau CNT- Polymer- Abstandshalter Schicht CNT- Polymer Abstandshalter Sensorelement zur Kompensation Drucksensitiver Bereich Interdigital- Elektroden Substrat S. 0-18

Kraftmessung mit den neuartigen Sensoren Abs ΔR in % Kraft in N Zyklische Kraftmessung Halbbrücke 2000 N Maximalkraft Messwerte pendeln sich ein gute Wiederholbarkeit Kraft Drucksensorprototyp U 0 R

26 Kraftmessung mit den neuartigen Sensoren Abs ΔR in % Kraft in N Zyklische Kraftmessung Halbbrücke 2000 N Maximalkraft Messwerte pendeln sich ein gute Wiederholbarkeit Kraft Drucksensorprototyp U 0 R R-ΔR U d + - R-ΔR R 2, ,8 1,5 1,3 1,5 wt% 2 wt% Kraft , ,8 0,5 0, , Zeit in s 50 Reproduzierbarkeit CNT-Epoxid-Komposite Sensorsignal bei stufenförmiger Druckkraftbelastung S. 0-19

27 Druckmessung an der Peripherie des Menschen CNT Druck-Sensorarrays CNTs in Elastomer-Matrix Sensor auf flexiblen Materialien z.b. Folien, Textilien Sensoren druckbar Messung des Fußdrucks und der Fußdruckverteilung S. 0-20

28 Struktur elektrischer Messeinrichtungen VDI/VDE 2600 Hilfsenergie Messgröße Aufnehmer Anpasser Messsignal Messsignal Ausgeber Messwert Messumformer Messverstärker, Elektronisches Rechengerät Anzeiger, Schreiber, Zähler S. 0-28

29 Aufbau eines Messsystems Amplitude Frequenz A/D-Wandlung Messgröße Einfluss- Größen Anregung Sensor-Schnittstelle Sensorelement = Betriebsschaltung analoge Signalvorverarbeitung digitale Signalverarbeitung Versorgung Vorgabe von Betriebsbedingungen Verstärkung Filter Linearisierung Berechnung der Messgröße Korrektur von Einflussgrößen Spezielle Maasnahmen für den sicheren Betrieb Signalumformung Kompensation Korrektur von Alterungseffekten Fertigungstoleranzen S. 0-29

30 Ziele unserer Vorlesung Sensorelement Messsystem Vertiefung der elektrischen Messtechnik Struktur von Messeinrichtungen Möglichkeiten zum Vermeiden von Störeinflüssen Verstärkerschaltungen A/D-Umsetzung Analoge und digitale Signalverarbeitung S. 0-30

31 Gliederung der Vorlesung 1. Strukturen von Messeinrichtungen 2. Messsignale 3. Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen 4. Analoge Signalverarbeitung 5. Verstärkerschaltungen 6. Analog/Digital-Umsetzer 7. Impedanzspektroskopie S. 0-31

32 Literatur H.-R. Tränkler, E. Obermeier: Sensortechnik, Springer Verlag, Berlin, 1998 E. Schrüfer: Elektrische Messtechnik, Hanser Verlag W. G. Webster, J. G. Webster: Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, CRCnetBASE 1999 S. A. Dyer: Survey of Instrumentation and Measurement, John Wiley & Sons, 2001 U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer S. 0-32

Ähnliche Dokumente

MESS- UND SENSORTECHNIK. MINAS Gruppe. SmartTex-Symposium03.12.2014, Dr. Christian Müller 1/16

MESS- UND SENSORTECHNIK. MINAS Gruppe. SmartTex-Symposium03.12.2014, Dr. Christian Müller 1/16 MESS- UND SENSORTECHNIK SmartTex-Symposium03.12.2014, Dr. Christian Müller 1/16 Inhalt VORSTELLUNG AG MOTIVATION ENTWICKLUNGSTUFEN ZUM DEHNUNGS-/DRUCKSENSOR BEISPIELE UND VORSTELLUNG VON DEMONSTRATOREN