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Signalverarbeitung in verschiedenen Sensoren

Hausarbeit 2016 18 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung in das Thema
1.2 Problemstellung und Ziel dieser Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Sensor
2.2 Sensorelektronik

3 Hauptteil
3.1 Auswertung von Sensorsignalen
3.1.1 Wheatstone´sche Brückenschaltung
3.1.2 Auswerteschaltung mit Stromspiegel
3.1.3 Thomson-Brückenschaltung
3.1.4 Wechselspannungsbrücke
3.2 Dehnmessstreifen (DMS)
3.2.1 Funktionsweise
3.2.2 Auswerteschaltung
3.3 Kapazitive Sensoren
3.3.1 Funktionsweise
3.3.2 Auswerteschaltung
3.4 Piezoelektrische Sensoren
3.4.1 Funktionsweise
3.4.2 Auswerteschaltung
3.5 Piezoresistive Sensoren
3.5.1 Funktionsweise
3.5.2 Auswerteschaltung

4 Schlussbetrachtung

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Wirkprinzip eines Sensors

Abbildung 2 Verlagerung der Signalverarbeitung

Abbildung 3 Wheatstone´sche Brückenschaltung

Abbildung 4 Auswerteschaltung mit Stromspiegel

Abbildung 5 Thomson-Brückenschaltung

Abbildung 6 Wechselspannungsbrücke

Abbildung 7 Prinzipaufbau eines Draht-DMS

Abbildung 8 Vollbrückenschaltung mit zwei DMS

Abbildung 9 Aufbau Differentialkondensator

Abbildung 10 Brückenschaltung mit Differentialkondensator

Abbildung 11 Prinzipdarstellung und –schaltbild eines Piezoelementes

Abbildung 12 Ladungsverstärker

1 Einleitung

1.1 Einführung in das Thema

In dieser Ausarbeitung wird das Thema „Signalverarbeitung in verschiedenen Sensoren“ bearbeitet. Da dieses Thema sehr komplex und umfangreich ist, kann in dieser Arbeit nur auf die relevantesten Punkte eingegangen werden. Die Sensorik ist ein Schlüsselgebiet in der modernen Industrie-Elektronik, da die Messwertaufnahme das Fundament aller Naturwissenschaften und der Technik ist. Sensoren wandeln meistens nichtelektrische Größen, wie z.B. Temperatur oder Druck, in elektrische um, da die elektrischen Ausgangs- größen einfacher weitergeleitet, verarbeitet und gespeichert werden können. Sensoren sind somit oft der erste Teil einer Messkette, dessen Ausgangs- signale verstärkt, gewandelt und aufbereitet werden müssen.

1.2 Problemstellung und Ziel dieser Arbeit

Die Problemstellung und somit auch Hauptziel dieser Arbeit ist die Beschreibung der Funktionsweise verschiedener Sensoren, ihre Vor- und Nachteile und die Erarbeitung der jeweils passenden Auswerteschaltungen. Um diese Ziele zu erreichen, wird in den Grundlagen speziell auf den Begriff Sensor und die Sensorelektronik eingegangen.

1.3 Aufbau der Arbeit

Zu Beginn dieser Ausarbeitung werden die relevanten Grundlagen für diese Aufgabenstellung erörtert.

Der Konzeptteil besteht zum einen aus der differenzierten Betrachtung von Brückenschaltungen bei der Auswertung von Sensorsignalen unter Verwen- dung von bis zu vier Sensorelementen.

Zum anderen werden die Funktionsweise und Auswerteschaltungen von Dehnmessstreifen, kapazitiven-, piezoelektrischen- und piezoresistiven Sensoren dargestellt.

Die erreichten Ergebnisse werden in der Schlussbetrachtung noch einmal zusammengefasst und hinsichtlich der Ziele bewertet.

2 Grundlagen

2.1 Sensor

Sensoren sind technische Mittel der Sensorik um zeitvariable physikalische nichtelektrische Zustandsgrößen zu erfassen.1 Die Herkunft des Wortes Sensor stammt aus dem Lateinischen (sensus: Sinn) und bedeutet soviel wie „Fühler“. In Abbildung 1 ist die Wirkungsweise eines Sensors dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Wirkprinzip eines Sensors 2

Sensoren dienen in der Praxis zur quantitativen und qualitativen Messung von physikalischen, chemischen, klimatischen, biologischen und medizin- ischen Größen.3 Ein Sensor besteht aus verschiedenen Baueinheiten. Der Elementarsensor (Messwertaufnehmer) beinhaltet ein mechanisches Um- setzelement wie z.B. einen Biegebalken, und das Sensorelement, was z.B. ein Dehnmessstreifen darstellt. Die aufgenomene mechanische Größe (Eingangsgröße) wird in diesem Beispiel durch das Sensorelement in eine direkt elektrisch verarbeitbare Größe umgesetzt (Ausgangssignal). Dieses Ausgangssignal wird dann in der Auswerteelektronik (siehe Kapitel 2.2) weiterverarbeitet. Sensoren werden als aktive Sensoren bezeichnet, wenn die Umwandlung der Messgröße ohne äußere Hilfsspannung erfolgt (siehe piezoelektrische Sensoren in Kapitel 3.4). Bei passiven Sensoren wird für diesen Vorgang eine äußere Hilfsspannung benötigt (z.B. DMS). Eine weitere Unterteilung kann durch die naturwissenschaftliche Gesetze oder die zu messenden Größen erfolgen. Zur Beschreibung von Sensoren werden Größen wie z.B. Übertragungsfunktion, Kennlinie, Sensitivität, Selektivität, Genauigkeit, Auflösung, Reproduzierbarkeit, Hysterese, Rauschen, Band-breite und Drift verwendet.

2.2 Sensorelektronik

Da Sensoren in der Regel nur relativ schwache Ausgangssignale liefern, müssen diese für die Weiterverarbeitung aufbereitet werden. Diese Aufberei- tung, welche Aufgaben wie Verstärkung, Linearisierung, Offsetkorrektur, Re- duktion bzw. Unterdrückung von Querempfindlichkeiten und Signalumwand- lungen enthält, wird in der Auswerte- oder Sensorelektronik durchgeführt.1 Dieses Ausgangssignal steht dann für Steuerungs- oder Auswertezwecke direkt zu Verfügung. Durch die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik verlagerte sich die Signalaufbereitungsfunktion in den Sensor- baustein, wie in Abbildung 2 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Verlagerung der Signalverarbeitung 2

Sobald das Sensorelement und die Auswerteelektronik in einem Sensor untergebracht sind und diese mit der elektronischen Umwelt kommunizieren können, spricht man von intelligenten Sensoren, auch smart sensors ge- nannt.3 Das vom Sensor ausgegebene analoge Signal wird dabei zuerst vor- verarbeitet bzw. aufbereitet wie oben beschrieben. Danach wird das Signal mittels ADU (Analog-Digital-Umsetzung) in ein digitales Signal umgesetzt und digital verarbeitet. Bei der digitalen Verarbeitung werden über einen Prozessor z.B. Mittel- und Grenzwertbildung, arithmethische Operationen und Fehlerkorrekturen durchgeführt. Dieses Signal kann dann entweder digital als serielles Messsignal oder nach einer DAU (Digital-Analog-Umsetz-ung) analog ausgegeben werden.4 Über ein zusätzliches Interface ist eine Kommunikation mit übergeordneten Systemen möglich.

3 Hauptteil

3.1 Auswertung von Sensorsignalen

Brückenschaltungen werden für eine Auswertung von Sensorsignalen von ein bis vier Sensorelementen verwendet. Eine Brückenschaltung stellt eine Weiterentwicklung des Spannungsteilers dar, bei der zwei Spannungsteiler parallel gesetzt werden.1 Der Vorteil zu nur einem Spannungsteiler liegt darin, dass nicht nur die Spannungs- und Stromhöhe sondern auch die Po- larität verändert werden kann.

3.1.1 Wheatstone´sche Brückenschaltung

Die Wheatstone´sche Brückenschaltung ist eine häufig eingesetzte Schal- tung bei der Auswertung von Sensoren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Wheatstone´sche Brückenschaltung

Der Vorteil dieser Schaltung liegt im einfachen Aufbau und dem großen Aus- steuerbereich, da beim Abgleich (UAB = 0 V) die beiden Spannungen UA und UB bei ca. 0,5 · UV liegen. Somit ergibt sich dieselbe Range bis +UV und 0 V. Die Brückenschaltung kann mit nur einem (Viertelbrücke), zwei (Halbbrücke) oder vier (Vollbrücke) veränderlichen Widerständen aufgebaut werden. Die Nachteile dieser Schaltung sind die fehlende Linearität bei einer Viertel- und Halbbrücke und das sie für die Messung von kleineren Widerständen (<1 Ω) nicht geeignet ist (Verfälschung durch Leitungs- und Kontaktwiderstände).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Berechnung der Brückenspannung UAB ist nachfolgend dargestellt, woraus auch die Linearität (UAB zur Widerstandsänderung) abzuleiten ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1.2 Auswerteschaltung mit Stromspiegel

Bei der Auswerteschaltung mit Stromspiegel handelt es sich um eine Verein- fachung der Brückenschaltung (Halbbrücke), wenn der Einsatz von weniger Sensorelementen und eine höhere Spannung UAB bei gleicher Eingangs-größe gefragt ist.1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Auswerteschaltung mit Stromspiegel

Die Spannung UAB lässt sich durch die Maschenregel einer Masche ableiten, da die beiden Stromquellen einen identischen Strom liefern (IA=IB=0,5 · IGes). In der Praxis werden hier z.B. Transistoren eingesetzt.

Der Vorteil dieser Auswerteschaltung liegt, im Gegensatz zur Wheat- stone´schen Halbbrücke, im linearen Zusammenhang der Ausgangsspann- ung UAB zum veränderlichen Widerstand RX, wenn der Widerstand R0 und der Gesamtstrom IGes konstant sind.

Nach einem Maschenumlauf und dem oben genannten Stromverhältnis folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]


1 Vgl. Schiessele (1992), S. 11

2 Vgl. Hering/Schönfelder (2012), S. 1

3 Vgl. Hering/Schönfelder (2012), S. 1

1 Vgl. Gintner (2010), SEN101, S. 25

2 Vgl. Schmidt (2007), S. 16

3 Vgl. Schmidt (2007), S. 20

4 Vgl. Gintner (2010), SEN101, S. 25

1 Vgl. Koch (2010), ELT201, S. 19

1 Vgl. Gintner (2010), SEN101, S. 31

Details

Seiten
18
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668879485
ISBN (Buch)
9783668879492
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v453111
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,3
Schlagworte
Sensor Sensorik Sensortechnik Wheatstone Dehnmessstreifen DMS Kapazitive Sensoren Piezoelektrische Sensoren Piezoresistive Sensoren

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Titel: Signalverarbeitung in verschiedenen Sensoren