PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Materialintegrierte Sensorische Systeme

Mit Labor @home

PD Stefan Bosse

Universität Bremen - FB Mathematik und Informatik

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PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensoren

Ziele

  • Verständnins der Definition und Klassifikation von Sensoren, Fokus mechanische Sensoren
  • Rolle im Material-integrierten Sensorsystem erkennen
  • Fähigkeit zur Abgrenzung: Material- vs. Struktureffekte
  • Sensormaterialien und direkt materialbasierte Sensoren
  • Mikrosystemtechnische Sensoren (Struktureffekte)
  • Anwendung von Optischen Sensoren
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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Was ist ein Sensor? [D]

Ein Sensor ist eine Einheit, die ein Signal oder einen Stimulus empfängt und darauf reagiert.

Ein physikalischer Sensor ist eine Einheit, die ein Signal oder einen Stimulus empfängt und darauf mit einem elektrischen Signal reagiert.

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

"Natürlicher Sensor"

Der Sensor besteht aus zwei Teilen: (1) Füllstandanzeige (2) Menschliches Auge, das ein Signal an das Gehirn sendet.

D

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Elemente, die eine im Allgemeinen nichtelektrische Messgröße in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln, heißen Sensoren. Dabei kann eine aktive nachgeschaltete analoge und digitale Sensorsignalverabeitung erfolgen.

Weinrich, Grundlagen und Messprinzipien der Sensorik, Universität Hamburg

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

  • Veränderung und Unschärfe des Sensorbegriffs: Im ursprünglichen Sinne ist der Sensor nur der Meßfühler/Aufnehmer, heute oft alles, was im Gehäuse der "Sensoreinheit" mit verpackt ist.

Stimulus

  • Ein Stimulus ist eine Größe, Eigenschaft oder Beschaffenheit, die wahrgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Ein- und Ausgangssignal

Eingangssignal
Ein Sensor wandelt ein (generell) nicht-elektrisches Signal in ein elektrisches um.
Ausgangssignal
Das Ausgangssignal kann eine elektrische Spannung (Ladungen), ein Strom, ein Lichtfeld, ein Magnetfeld sein.
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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Messgrößen
Dass Messsignal kann weiter unterscheidbar sein durch
  • Amplitude,
  • Frequenz,
  • Phase,
  • Energiedichte (Integral).

Welcher Sensor liefert direkt ein Spannungssignal (aktiver Sensor)?

Piezoelektrischer Sensor, Solarzelle, Photodiode (Strom)
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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Sensorelement

  • Ein Sensorelement (einfacher Sensor) oder Messfühler wandelt die Messgröße in eine primäre elektrische Größe um.

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Integrierter Sensor

  • Ein integrierter Sensor setzt die Messgröße in ein standardisiertes Signal um.

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Intelligenter Sensor

  • Ein intelligenter Sensor ist ein integrierter Sensor mit rechner- gesteuerter Auswertung und digitalisierter Ausgabe.

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Definition Sensor PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Definition Sensor

Sensormodell

Der Sensor als "Black Box": Fasst man den Sensor als "Black Box" auf, kann er unabhängig von Prinzip und Aufbau u. a. über folgende Merkmale beschrieben werden:

  • Transferfunktion
  • Messbereichsumfang
  • Ausgabebereich
  • Genauigkeit
  • Kalibrierungsfehler
  • Hysterese
  • Sättigung
  • Wiederholgenauigkeit
  • Verlässlichkeit
  • dynamische Eigenschaften
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

Metrikklassen

Einteilung nach

  • Art der Messgröße/des Stimulus
  • Art der Erfassung der Messgröße/Messprinzip
  • Art der Umwandlung von der Messgröße zum Ausgangssignal
  • Material des Sensors
  • Einsatzgebiet des Sensors
  • Eigenschaften, Spezifikationen, Parametern (Empfindlichkeit etc.)
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

Einteilung nach Messgröße

  • Wegsensoren
  • Dehnungssensoren
  • Beschleunigungssensoren
  • Kraftsensoren
  • Gassensoren
  • Feuchtesensoren
  • Temperatursensoren
  • Lichtsensoren
  • Magnet(feld)sensoren
  • etc.
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

Einteilung nach Messprinzip

  • resistive Sensoren (primäre elektrische Größe: Widerstand)
  • induktive Sensoren (Induktivität)
  • kapazitive Sensoren (Kapazität)
  • piezoelektrische Sensoren (Ladung)
  • thermoelektrische Sensoren (Spannung)
  • optische Sensoren (z. B. Lichtintensität, weitere Wandlung erf.)
  • etc.
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

Sensortypen

Ein System kann verschiedene Sensortypen beinhalten:

Extrinsisch
Ermitteln von Informationen über die Systemumgebung
Intrinsisch
Ermitteln von Informationen über den internen Systemzustand

Teilweise ist der Übergang fliessend. Liefert der Beschleunigungssensor eines Smartphone eine intrinische oder extrinische Wahrnehmung?

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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Weiterhin Unterteilung in:

Aktive Sensoren
Erzeugen aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Signal (z.B. Thermoelement, Lichtsensor), d.h. variieren elektrisches Signal bei Veränderung des Stimulus
Passive Sensoren
Enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße verändert werden, d.h. bei Veränderung des Stimulus (z.B. resistive Thermometer oder Dehnungsmessstreifen)
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

Erfassungsverfahren

Die Differenzierung nach aktiven und passiven Sensoren kann nach dem Energiebedarf der Sensoren erfolgen:

  • Passive Sensoren modulieren ein Signal unter dem Einfluss der Messgröße und benötigen daher Hilfsenergie.

  • Aktive Sensoren erzeugen aufgrund des Messprinzips direkt ein elektrisches Signal.

  • Aktive Sensoren können häufig in Umkehrung des Messeffektes auch als Aktoren genutzt werden. Sie liefern dafür häufig lediglich bei einer Änderung der Messgröße ein Signal (Ausnahme u. a. Thermoelem.).

  • Teilweise wird die Perspektive auch umgekehrt - Sensorelemente, die keine Energiezufuhr benötigen, werden dann als "passiv" bezeichnet.

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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Messverfahren

Neben der Sensorerfassung kann auch das Messverfahren mit dem Sensor unterteilt werden:

Aktives Messverfahren
Es wird ein Aktuator benötigt der einen Stimulus erzeugt der dann vom Sensor gemessen wird (Beispiel Ultraschallmesstechnik)
Passives Messverfahren
Der Sensor erfasst direkt einen in der Umgebung vorhandenen Stimulus (Beispiel: Temperatur, Dehnung)

Beipiele:

Aktiver Sensor Passiver Sensor
Aktives Messverfahren Piezoelektrisch, Anregung von Wellen Kapazitiv, Anregung von Wellen
Passives Messverfahren Piezoelektrisch, Körperschall Kapazitiv, Körperschall
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Sensormetrik PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormetrik

D Aktive, passive, intrinsisische, und extrinsische Sensoren in einem Messsystem

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Eigenschaften von Sensoren

  • Ein Eingangssignal muss eventuell mehrmals konvertiert werden, bis der Sensor ein elektrisches Ausgangssignal ausgibt.
  • Im folgenden Abschnitt wird der Sensor als ’Black Box’ betrachtet.
  • Es interessiert uns im Folgenden nur die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal.

Transferfunktion

  • Jeder Sensor besitzt eine ideale bzw. theoretische Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal.
  • Das Ausgangssignal S repräsentiert dabei den wahren Wert des Eingangssignals s.
  • Die ideale Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal eines Sensors wird beschrieben durch die Transferfunktion S = f(s).
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Transferfunktion

  • Lineare Transferfunktion: S = a+bs
  • Logarithmische Transferfunktion: S = a + k ln s
  • Exponentiale Transferfunktion: S = a · eks
  • beliebige Polynome höherer Ordnung: S = a0 + a1 s1 + a2 s2 ..

mit

  • k ist eine Konstante
  • a ist das Ausgangssignal bei einem Eingangssignal von 0
  • b ist die Steigung
  • b wird in diesem Zusammenhang oft als Sensitivität bezeichnet.
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Sensitivität

Für nicht-lineare Transferfunktionen ist die Sensitivität für jeden Eingangswert si wie folgt definiert:

b=dS(si)ds

Approximation einer Transferfunktion

  • Einige nicht-lineare Transferfunktionen sind linear in einem eingeschränkten Bereich.
  • Nicht-lineare Transferfunktionen können durch mehrere lineare Funktionen approximiert werden.
  • Die Differenz zwischen wahrem und linear approximiertem Ausgangssignal sollte unter einem zu spezifizierenden Limit liegen.
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Mehrdimensionale Transferfunktionen

  • Die Transferfunktion kann von mehr als einem Stimulus abhängen.

Beispiel: Infrarot-Wärmestrahlungssensor (Stefan-Boltzmann Gesetz)

U=G(T4b−T4s)

mit

  • G: Konstante
  • Tb: absolute Temperatur des gemessenen Objektes
  • Ts: absolute Temperatur der Sensoroberfläche
  • U: Ausgangsspannung
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

  • Sensitivität in Bezug auf die Temperatur des gemessenen Objektes:

b=dUdTb=4GT3b

Beispiel: Dehnungsmessstreifen (Metallstreifen)

R(D,T)≈R0+k(T)ϵ+mT≈R0(T)+k(T)ϵ

mit:

  • ε:Dehnung
  • T: Temperatur
  • k,m: Material- und Strukturkonstanten
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Messbereichsumfang

  • Der dynamische Bereich eines Stimulus, der von einem Sensor erfasst wird, wird Messbereichsumfang (engl. Span oder Full Scale Input) genannt.
    • beziffert den kleinsten und höchsten für einen Sensor zulässigen Stimuluswert
    • größere Stimuli können den Sensor beschädigen
    • kleiner oder größere Stimuli können zu einer Sättigung des Ausgangssignals führen

Ausgabebereich

  • Der Ausgabebereich (endl. Full Scale Output) eines Sensors ist das Intervall zwischen dem Ausgangssignal bei kleinstem und größtem angelegten Stimulus.
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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Reale Transferfunktion

  • Im Vergleich zur idealen Transferfunktion sind reale Sensoren immer ungenau.
  • Die Transferfunktion eines realen Sensors heißt daher: reale Transferfunktion.

D

Abweichung der realen Transferfunktion von der idealisierten Modellfunktion innerhalb von Ober- und Untergrenzen

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Kalibration

  • Kalibration ist eine Korrektur der Transferfunktion (Anpassung der Parametrisierung)

  • Kalibration soll die reale Transferfunktion der idealen Transferfunktion anpassen

Vergleich der realen und kalibrierten Transferfunktion eines Sensors

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Hysterese

  • Hysterese beschreibt ein zeit- und historienabhängiges Verhalten der Transferfunktion.
  • D.h. der Stimulus wird erst in eine Richtung verändert (vergrößert) und dann wieder in die andere Richtung auf den ursprünglichen Wert geändert (verkleinert) . Dabei ist das Ausgangssignal des Sensors aber nicht mehr gleich.

D

Hysteresverhalten der Sensortransferfunktion

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Sättigung

  • Fast jeder Sensor hat Arbeitsbereichsgrenzen.
  • Viele Sensoren haben eine lineare Transferfunktion, . . .
    • aber: Ab einem bestimmten Stimuluswert wird nicht mehr die gewünschten Ausgabe erzeugt.
    • Es tritt eine Sättigung der realen Transferfunktion ein.

Sättigung der Transferfunktion

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Antwortverhalten

→ Zeitliches Verhalten

  • Es kann eine verzögerte Stimulusantwort auftreten
  • Es kann zeitliches Über- und Unterschwingen auftreten
  • Es kann Oszillation auftreten

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Sensormodell PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensormodell

Umwelteinflüsse

  • minimal und maximal zulässige Umgebungstemperatur

  • minimal und maximal zulässige Luftfeuchtigkeit

  • Kurz- und Langzeitstabilität (Drift) (Hilfe bei Langzeitdrift: Pre-aging erhöht Stabilität)

  • statische und dynamische Änderungen von elektromagnetischen Feldern, Gravitationskräften, Vibrationen, Strahlung , etc.

  • Selbsterwärmung z.B. durch Stromfluss

  • Mechanischer Stress im Material durch Integration!

  • Energieversorgung

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Sensoren in mobilen Geräten PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Sensoren in mobilen Geräten

Mobile Geräte stellen häufig low-cost Sensorik zur Verfügung mit der sich Sensornetzwerke (Umgebung und Umwelt) aufbauen lassen

Mögliche Messaufgaben:

  • Longitudinale Flächendeckende Seismische Erfassung (bei Erdbeben)
  • Longitudinale Flächendeckende Aufnahme von Umweltdaten wie Lufttemperatur (Smart City)
  • Mobile Longitudinale Flächendeckende Lärmerfassung (Lärmkartierung)
  • Bewegungsprofile (Verkehrsflüsse und Verkehrsmanagement)
  • Raum- und zeitaufgelöste Strukturüberwachung von Flugzeugen über Smartphones der Passagiere
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Sensoren in mobilen Geräten PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Smartphone

Sensor Art Technologie Messgröße Messbereich Einheit Genauigkeit
Temperatur 1 Intrinsisch Halbleiter PN Gerätetemperatur (CPU/Gehäuse) 0-150°C °C ±3°C
Temperatur 2 Extrinsisch Halbleiter PN Lufttemperatur -20-100°C °C ±1°C
Beschleunigung Extrinsisch MEMS Dreiachsige Beschleunigung 0-40m/s2 m/s2 1m/s2
Lage Extrinisch MEMS Dreiachsige Lage (Winkel) -180..180 ° ° / Grad ± 10 °
Position Extrinisch Radio, Synch. Uhren und TOF Geometrische Raumposition, Winkel -180..180°, -90..90° ° 1m
Licht 1 Extrinsisch Halbleiter PN Lichtintensität Umgebung 1-1000 Lux Lux 10 (rand.) 100 (syst.) Lux
Mikrofon Extrinisch Kondensator/Piezo Umgebungsschallamplitude (zeitaufgelöst) 0-60 dB arb. units 1dB random, 10dB system.
Gerätekennung In- und Extrinisch IP MAC/IMEI, Öffentliche IP - Nummer ± 500km Geoposition (IP), ID weltweit eindeutig
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Experimente PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Experimente

Schall
https://mascil.ph-freiburg.de/aufgabensammlung/experimente-mit-dem-smartphone/gruppe-1-experimente-mit-dem-schallsensor-mikrofon
Beschleunigung
https://mascil.ph-freiburg.de/aufgabensammlung/experimente-mit-dem-smartphone/gruppe-2-experimente-mit-dem-beschleunigungssensor
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Zusammenfassung PD Stefan Bosse - MISS - Modul D: Sensoren (Teil 1)

Zusammenfassung

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