Sensoranwendungen

ISBN-13: 9783322967220 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 420 str.

Hanno Schaumburg; D. H. Althen; U. Baumann

Opis

Der vorliegende Band ist der bisher praxisbezogenste der Buchreihe "Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik." Auf der Basis der im Band "Sensoren" beschriebe nen Grundlagen beschreiben Fachleute aus der Industrie jeweils die Sensoren auf ih rem Spezialgebiet. Dabei stehen Anwendungsbeispiele im Vordergrund. Von gleich rangiger Bedeutung ist die dazugehOrige Schaltungstechnik: Erst bei optimaler Aus legung der Schaltungsperipherie lassen sich die Sensoreigenschaften voll ausnutzen. Die Vielzahl der Beitrage gibt einen Eindruck von der enormen Bandbreite der mo demen Sensortechnik, das gilt sowohl flir die Funktionsprinzipien wie die Anwen dungsmoglichkeiten. In dieser Beziehung steht der Praktiker, der die optimale Lo sung fiir seine Aufgaben sucht, hiiufig vor groBen Problemen. Deshalb diirften die Informationen dieses Buches in vielen Fallen eine wichtige Stiitze sein. In diesem Band wird bewuBt darauf Wert gelegt, daB keine theoretischen Spezial kenntnisse vorausgesetzt werden miissen, d.h. das Buch wendet sich generell an den interessierten Ingenieur und Techniker, unabhiingig von des sen Vorbildung. Der Band ist daher gleichermaBen wichtig flir die Werkstatt wie flir das Labor: 1m Vor dergrund steht die praktisch anwendbare technische Realisierung des Sensorsystems. Die satztechnische Realisierung dieses Buches erfolgte nach dem bewiihrten Vorbild der anderen Bande dieser Buchreihe. Wiederum flihrte die erfahrene und engagierte Arbeit von G. KrUmmel, ArtType Kommunikation, zu einem optisch sehr anspre chenden Buch. Fiir die stiindige Unterstiitzung - auch in bewegten Zeiten - sei Herm Dr. 1. Schlembach vom Verlag B. G. Teubner auch diesmal wieder herzlichst ge dankt.

Spis treści

I. Temperatursensoren.- I-1 Keramische und Silizium-Temperatursensoren und ihre Anwendungen.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Physikalische Grundlagen.- 1.2.1 Keramische Sensoren.- 1.2.2 Temperatursensoren auf Halbleiter-Siliziumbasis.- 1.2.2.1 Technologischer Überblick.- 1.2.2.2 Elektrisches Verhalten.- 1.3 Toleranzbetrachtung.- 1.4 Kennlinien-Linearisierung.- 1.4.1 Linearisierung mit Serienwiderstand für NTC-Widerstände.- 1.4.2 Linearisierung bei Halbleitertemperatursensoren.- 1.4.3 Konkretes Beispiel: Linearisierung eines Halbleiter-Silizium- und keramischen Temperatursensors.- 1.5 Stabilitätsverhalten von Temperatursensoren.- 1.6 Auswahl und Konfektionierung eines Sensors.- 1.6.1 Auswahl eines Sensors.- 1.6.2 Konfektionierung des Sensors.- 1.7 Anwendungen.- 1.7.1 Temperaturmeßschaltungen mit keramischen Sensoren.- 1.7.1.1 NTC-Temperatur-Sensor als thermischer Schalter.- 1.7.1.2 Temperaturmeßschaltungen für mikroprozessorgesteuerte Systeme.- 1.7.1.3 Temperaturmessung mit freilaufendem Temperatur-Impulsweiten-Umsetzer.- 1.7.2 Temperaturmeßschaltungen mit Halbleiter-Sensoren.- 1.7.2.1 Applikationsbeispiel für eine Temperaturkompensationsschaltung.- 1.7.2.2 Standard-Temperaturmeßschaltung.- 1.7.2.3 Meßverstärker-Schaltungen.- 1.8 Zusammenfassung.- I-2 Temperatur- und Luftstrommessung mit Iasergetrimmten Si-/Permalloy-Temperatursensoren.- 2.1 Aufbau und Eigenschaften des Temperaturfühlers.- 2.2 Anwendungsspezifische Gehäuseformen.- 2.3 Linearisierung der Ausgangsspannungs-Kennlinie.- 2.4 Meßverstärker mit Spannungs- oder Stromausgang.- 2.5 Luftstromsensoren der Serie AW.- 2.6 Anwendungsbeispiele.- I-3 Temperaturerfassung mit Schwingquarzsensoren.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Aufbau und Meßprinzip.- 3.3 Meßwertverarbeitung.- 3.4 Elektrische und mechanische Eigenschaften.- 3.5 Anwendungen.- 3.5.1 Lebensmittelindustrie.- 3.5.2 Kraftwerk.- 3.5.3 Chemische Industrie.- 3.5.4 Qualitätssicherung und Labor.- 3.6 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- I-4 Industrielle Meßtechnik mit Pt-Schichtmeßwiderständen.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Herstellungsverfahren und Typenspektrum.- 4.3 Meßtechnische Eigenschaften.- 4.3.1 Grundwerte und Grenzabweichungen.- 4.3.2 Zeitverhalten und Eigenerwärmung.- 4.3.3 Langzeitstabilität.- 4.3.4 Innenleitungswiderstände.- 4.3.5 Empfindlichkeit.- 4.4 Anwendungsbeispiele.- 4.4.1 Prozeßtechnik.- 4.4.2 Heizungs- und Klimatechnik.- 4.4.3 Haushalt.- 4.4.4 Kfz-Technik.- 4.4.5 Kältetechnik.- 4.4.6 Fertigungs- und Analysentechnik.- 4.5 Zusammenfassung.- Literatur.- II. Kraft- und Drucksensoren.- II-1 Piezoresistive Drucksensoren mit ionenimplantierter Vollbrücke.- 1.1 Aufbau und Wirkungsweise.- 1.2 Spannungs- oder Stromspeisung.- 1.3 Nullpunkt- und Meßbereichsabgleich.- 1.4 Interne oder externe Temperaturkompensation.- 1.5 Beschaltung von Drucksensoren mit temperaturkomp. Verstärker.- 1.6 Schutz gegen Wasserdruckschläge.- 1.7 Aufbau eines elektronischen Druckschalters.- 1.8 Drucküberwachungsschaltung.- 1.9 Durchflußmessung über den Differenzdruck.- 1.10 Weitere Anwendungen.- II-2 Kenngrößen von piezoresistiven Silizium-Elementardrucksensoren.- 2.1 Einleitung.- 2.2 Grundkenngrößen.- 2.3 Temperaturabhängigkeit.- 2.4 Temperaturabgleich.- 2.5 Andere Störgrößen.- 2.6 Gehäuse.- II-3 Piezoresistive Drucksensoren mit Polysilizium-Dehnungsmeßstreifen.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Silizium und Polysilizium.- 3.2.1 Silizium als Federwerkstoff.- 3.2.2 Der piezoresistive Effekt.- 3.2.3 Schichtwiderstand.- 3.2.4 Temperatureinfluß.- 3.3 Membran und DMS Geometrien.- 3.4 Herstellschritte.- 3.4.1 Schichtaufbau.- 3.4.2 Membranausformung.- 3.4.2.1 Anisotropes naßchemisches Ätzen.- 3.4.2.2 Isotropes naßchemisches Ätzen.- 3.4.2.3 Plasmaätzen.- 3.4.2.4 Mikrofunkenerosion.- 3.4.2.5 Diamantbohren.- 3.5 Drucksensor-Aufbau.- 3.5.1 Sensorelement.- 3.5.2 Montage auf Halterung.- 3.5.3 Schutz gegen aggressive Medien.- 3.5.4 Temperaturkompensation und Abgleichverfahren.- 3.5.5 Maximale Einsatztemperatur.- Literatur.- II-4 Ein elektronisches Manometer mit Dünnfilm-DMS-Drucksensor.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Konzeption eines elektronischen Manometers.- 4.3 Eine komplette Meßkette in einem Gehäuse.- 4.3.1 Der Sensor wandelt Druck in elektrische Spannung.- 4.3.2 Wie ist ein Dünnfilm-DMS aufgebaut und wie funktioniert er?.- 4.3.3 Was mit Dünnfilm-DMS und Elektronik möglich ist.- 4.4 Die Funktionalität.- 4.5 Zusammenfassung.- Literatur.- II-5 Digitale Höchstpräzisions-Druckmessung durch Schwingquarz-Verfahren.- 5.1 Einleitung.- 5.2 Quarzkristall-Resonator.- 5.3 Druckeinleitung.- 5.4 Ausgangssignale.- 5.5 Ein intelligenter Drucksensor.- 5.6 Leistungskennwerte.- II-6 Innovative Druckmeßtechnik mit Keramiktechnologie.- 6.1 Einleitung.- 6.2 Aufbau der Meßzelle für Absolut- und Relativdruck.- 6.2.1 Wirkungsweise — kapazitives Meßprinzip.- 6.2.2 Drucktransmitter mit keramisch-kapazitiver Zelle.- 6.2.3 Eigenschaften und technische Daten.- 6.3 Differenzdruck-Meßtechnik.- 6.3.1 Funktion und Aufbau der Differenzdruckmeßzelle.- 6.3.2 Keramischer Werkstoff für Differenzdrucksensor.- 6.3.3 Differenzdrucktransmitter mit keramischer Meßzelle.- 6.3.4 Eigenschaften und Technische Daten.- II-7 Anwendungsbeispiele für piezoelektrische Kraft-, Dehnungs-, Druck- und Beschleunigungs-Sensoren.- 7.1 Einführung in die besonderen Eigenschaften des piezoelektrischen Systems.- 7.2 Messen von elektrischer Ladung.- 7.3 Einrichtungen zum Messen von elektrischer Ladung.- 7.3.1 Das Elektrometer.- 7.3.2 Der Elektrometer-Verstärker.- 7.3.3 Der Ladungsverstärker.- 7.4 Anwendungsbeispiele für piezoelektrische Kraftsensoren.- 7.4.1 Planheitsmessung beim Rollen von Metall- und Kunststoff-Folien.- 7.4.2 Mehrkomponenten Kraftmessung.- 7.4.2.1 Schnittkraftmessung in der Metallbearbeitung.- 7.4.2.2 Kraftmessungen in der Biomechanik.- 7.4.2.3 Radkraftmessungen auf dem Reifenprüfstand und am fahrenden Fahrzeug.- 7.4.2.4 Dynamische Reibungskoeffizientmessung an Bremsen.- 7.4.2.5 Aufprallkraftmessung bei Crashversuchen.- 7.4.3 Holmdehnungsmessungen an Spritzgießmaschinen und Säulenpressen.- 7.4.4 Indirekte Druckmessung in der Düse von Spritzgießmaschinen.- 7.4.5 Werkzeuginnendruckmessung beim Spritzgießen.- 7.4.6 Zylinderdruckmessungen in Verbrennungsmotoren.- 7.4.7 Druckmessungen in der Innenballistik.- 7.4.8 Beschleunigungsmessung für Modalanalyse.- 7.4.9 Messen der Schallemissionen zur Prozeßüberwachung.- Literatur.- III. Magnetsensoren.- III-1 Anwendungen von magnetogalvanischen Halbleitersensoren.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Physikalische Grundlagen.- 1.3 Feldplatten-Sensoren — Technologie, Aufbau, Eigenschaften.- 1.4 Hallsensoren — Technologie, Aufbau, Eigenschaften.- 1.5 Magnetfeldmessung mit Hallsensoren.- 1.5.1 Hochgenaue Magnetfeldmeßtechnik.- 1.5.2 Potentialfreie Strommessung.- 1.5.3 Elektrische Leistungsmessung.- 1.6 Kontaktlose Positionserfassung.- 1.6.1 Anordnungen und Signalformen.- 1.6.2 Differentialsysteme.- 1.6.3 Magnetdimensionierung.- 1.6.4 Ausgewählte Beispiele.- 1.6.4.1 Analoge Wegerfassung.- — Druckmeßdose.- — Beschleunigungssensor.- — Zerstörungsfreie Schichtdickenmessung.- — Kollektorloser Gleichstrommotor.- 1.6.4.2 Digitale Positionserfassung.- — Drehzahlsensor.- — Inkrementale Weg- und Winkelmessung.- 1.7 Ausblick.- Literatur.- III-2 Analoge und digitale Halleffektsensoren auf Siliziumbasis.- 2.1 Einleitung.- 2.2 Aufbau und Wirkungsweise.- 2.3 Magnetische Annäherungsarten.- 2.4 Messung von Gleich- und Wechselströmen.- 2.5 Messung von Drehzahlen und Drehwinkeln.- 2.6 Drehrichtungserkennung mit zwei Sensoren.- 2.7 Überbrückung von Entfernungen.- 2.8 Zeilenlängensteuerung.- 2.9 Weitere Anwendungsbeispiele.- 2.10 Beschaltung analoger und digitaler Halleffektsensoren.- 2.11 Einstellbare digitale Halleffektsensoren.- 2.12 Modifikationen nach Kundenwunsch.- III-3 Magnetfeldsensoren auf Metallpermalloy-Basis und ihre Applikationsfelder.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Stützfelder.- 3.2.1 Einfluß von Stützfeldern auf die Kennlinie.- 3.2.2 Erzeugung eines Stützfeldes.- 3.2.2.1 Stützmagnet.- 3.2.2.2 Stützfeld durch einen Arbeitsmagneten.- 3.2.2.3 Stützfeld durch verklebten Arbeitsmagneten.- 3.2.2.4 Erregung durch das magnetische Feld einer Spule.- 3.3 Temperaturverhalten der Magnetfeldsensoren.- 3.4 Auswerteschaltung für den Magnetfeldsensor KMZ 10 B.- 3.5 Anwendungen.- 3.5.1 Messung schwacher Magnetfelder (Kompaß).- 3.5.2 Detektion kleiner Magnetfelder.- 3.5.3 Magnetfeldmessung mit Kompensationsverfahren.- 3.5.4 Strommessungen.- 3.5.5 Messung linearer Positionen.- 3.5.6 Winkelmessung.- 3.5.7 Einpunkt-Positionsmessung und Drehzahlmessung.- 3.5.8 Inkrementale Messung und Richtungserkennung.- 3.5.9 Näherungsschalter.- IV. Optische und Strahlungssensoren.- IV-1 Technologie und Anwendung bipolarer Fotodetektoren.- 1.1 Generelle Überlegungen zur Technologie von Fotodioden.- 1.1.1 Wahl des Scheibenrohmaterials.- 1.1.2 Wahl der Technologielinie.- 1.1.3 Geometriefestlegung.- 1.1.4 Gehäusebauform.- 1.2 Optimierung von Fotodioden für den Anwender.- 1.2.1 Sperrstromarme Silizium-Fotodioden.- 1.2.2 PlN-Fotodioden, Infrarotempfindlichkeit, Schaltzeit.- 1.2.3 Blau-/UV-Empfindliche Fotodioden.- 1.2.4 Avalanche Fotodioden.- 1.2.5 Einsatz von Ge, GaAs, InGaAs.- 1.3 Fototransistoren und Foto-ICs.- 1.3.1 Standardtransistoren, elektrische Kenndaten.- 1.3.2 Integrierte Optosensoren.- 1.4 Gehäusebauformen.- 1.4.1 Offene Bauformen.- 1.4.2 Lötspießbauformen, Side-Viewing-Bauformen.- 1.4.3 LED-Bauformen.- 1.4.4 SMT-Bauformen.- 1.4.5 Metallbauformen.- 1.4.6 Epoxid-Platinen.- Literatur.- IV-2 Anwendung optischer Sensoren in Empfängern für Systeme zur Überwachung oder Datenübertragung mit Licht.- 2.1 Einleitung.- 2.2 Übersicht über die Anwendungen.- 2.3 Sensorauswahl (Empfangsdiode) und Empfänger-Design.- 2.3.1 Spezifikation der Empfangsdiode.- 2.3.2 Definition der minimal erforderlichen Lichtleistung.- 2.3.3 Störgrößenermittlung und Signal-Rausch-Abstand.- 2.3.4 Betrieb der Empfangsdiode und Impulsantwort.- 2.4 Entwurf des Empfangsverstärkers zur Kombination mit einer Fotodiode.- 2.4.1 Prinzipien der Kombination von Fotodiode und Verstärker.- 2.4.2 Aufbau von Empfangsschaltungen.- 2.5 Systemeigenschaften des Empfängers.- 2.5.1 Dynamikbereich.- 2.5.2 Verbindung mit dem Schwellwertentscheider.- 2.5.3 Beispiele für optische Empfänger in verschiedenen Anwendungen.- 2.6 Zusammenfassung.- Literatur.- IV-3 Infrarotsensoren.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Definitionen.- Äquivalente Rauschleistung.- Detektivität D*.- Responsivität R.- Relative Responsivität Rrel.- Cut Off Wellenlänge ?co.- 3.3 Platin-Silizid-Detektoren.- 3.4 Cadmium-Quecksilber-Tellurid.- 3.5 Pyroelektrische Detektoren.- 3.6 Peltier-Kühlung.- 3.7 Gas-Kühlung.- 3.8 Maschinen-Kühlung.- 3.9 Zusammenfassung und Ausblick.- Literatur.- IV4 Bildverstärker.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Anwendungen.- 4.3 Elemente des Bildverstärkers.- 4.3.1 Photokathode.- 4.3.2 Fenstematerialien.- 4.3.3 Fokussierung.- 4.3.4 Mikrokanalplatte.- 4.3.5 Leuchtschirm.- 4.3.6 Spannungsversorgung.- 4.4 Technische Daten von Bildverstärkern.- 4.4.1 Lichtverstärkung.- 4.4.2 Mittlere Schirmleuchtdichte.- 4.4.3 Auflösung.- 4.4.4 Rauschabstand.- 4.4.5 Andere Bildfehler.- 4.5 Zusammenfassung.- Literatur.- V. Chemische Sensoren.- V-1 Gassensoren und ihr Einsatz in Gaswarngeräten.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Die Anfänge der Gasmeßtechnik.- 1.3 Katalytische Wärmetönungssensoren.- 1.4 Elektrochemische Gassensoren.- 1.5 Messen im ppb-Bereich.- 1.6 Infrarotoptische Gassensoren.- 1.7 Halbleitergassensoren.- 1.8 Gaswarngeräte und -systeme.- 1.9 Kalibrierung und Plazierung.- 1.10 Atemalkoholmessung.- 1.11 Schluß.- V-2 ZrO2-Lambda-Sonden für die Gemischregelung im Kraftfahrzeug.- 2.1 Einleitung.- 2.2 Grundlagen Lambda-Regelung.- 2.2.1 Funktion der ZrO2-Lambda=1-Sonde.- 2.2.2 Resistive Lambda-Sonden.- 2.2.3 Magersonden.- 2.2.3.1 Magersonde nach Nernst-Prinzip.- 2.2.3.2 Magersonde nach Grenzstromprinzip.- 2.2.4 Breitband-Lambdasonden.- 2.2.4.1 Grenzstromsonde mit anodischer Luftreferenz.- 2.2.4.2 Zweizellen-Grenzstromsonde.- 2.3 ZrO2-Keramik.- 2.3.1 Eigenschaften der Keramik.- 2.3.2 Herstellung der Lambda-Sonde.- 2.3.2.1 Die klassischen Lambda-Sonden.- 2.3.2.2 Die planare Lambda-Sonde.- 2.3.2.3 Die Lambda-Sonden Montage.- 2.4 2-Punkt Lambda=1-Regelung.- 2.4.1 Grundlegendes Regelungskonzept.- 2.4.2 Einflüsse auf das Regelverhalten.- 2.4.2.1 Einflüsse auf die statische Sondenkennlinie.- 2.4.2.2 Einflüsse auf die Sondendynamik und die Regellage.- 2.5 Applikation.- 2.5.1 Einsatzbedingungen.- 2.5.2 Abgasmeßtechnik.- 2.5.2.1 Rollenprüfstandsmessungen.- 2.5.2.2 Abgas-Zertifikation.- 2.5.2.3 Dauerlauf.- 2.5.3 Laborprüfungen zur Sicherung der Sondenfunktion.- 2.6 Ausblick.- Literatur.- Stichwortverzeichnis.

O autorze

Prof. Dr. Dr. h.c. Hanno Schaumburg, Leiter Koordinierungsstelle Osteuropa/NUS, TU Hamburg-Harburg