Wirkprinzipien von Sensoren

Man betrachtet die Empfindlichkeit und setzt sie gleich der Größe die sich verändert, 1. Bild nach d ableiten, da plattenabstand verringert, 2.Bild nach epsilon r, da sich epsiolon verändert hat usw. Falls dann eine Abhängigkeit besteht, ist es nicht linear

Ein Differentialkondensator besteht aus zwei Kapazitäten, die gegensinnig von einer Messgröße beeinflusst werden. Typischer Aufbau:

• Eine bewegliche Elektrode (z. B. eine Platte oder ein Schieber) befindet sich zwischen zwei festen Elektroden.

• Dadurch entstehen zwei Kondensatoren: C1​ und C2​.

• Bewegt sich die mittlere Elektrode, nimmt eine Kapazität zu, während die andere abnimmt.

Statt also nur eine einzelne Kapazität zu messen, wertet man die Differenz der beiden aus:

ΔC=C1−C2

Diese Differenz ist (für kleine Wege) näherungsweise proportional zur Verschiebung der beweglichen Elektrode.

Die zwei wichtigsten Vorteile

1. Höhere Empfindlichkeit (Auflösung)

2. Linearisierung

Grundlagen Überblick:

Beispiel:

Der magnetoelastische Effekt beschreibt den Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung (Kraft, Dehnung, Druck) und den magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials.

Konkret bedeutet das:

• Wenn man ein ferromagnetisches Material mechanisch belastet (z. B. Zug oder Druck),

• dann ändern sich seine magnetischen Eigenschaften, z. B.:

  • die magnetische Permeabilität,

  • die Magnetisierung,

  • die Form der Hysteresekurve.

Die Magnetostriktion ist ein spezieller, umgekehrter Zusammenhang:

• Wenn man ein ferromagnetisches Material magnetisiert (also ein Magnetfeld anlegt),

• dann ändert es seine Form oder Länge (es dehnt sich oder zieht sich zusammen, typischerweise um sehr kleine Beträge).

Metalle werden bei Hall-Sensoren nicht verwendet, weil sie wegen ihrer sehr hohen Ladungsträgerdichte (n) nur eine extrem kleine Hall-Spannung liefern.

Halbleiter erzeugen dagegen ein deutlich größeres, gut auswertbares Signal und sind deshalb das Material der Wahl für Hall-Sensoren.

Ein piezoresistiver dehnungsempfindlicher Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er mechanische Dehnung oder Spannung in eine Widerstandsänderung umwandelt.

Prinzip:

1. Wird der Sensor gedehnt oder gestaucht, ändert sich:

   • seine Länge,

   • sein Querschnitt,

   • und vor allem seine spezifische elektrische Leitfähigkeit.

2. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand des Sensors messbar.

Kennzeichen:

Ein piezoresistiver dehnungsempfindlicher Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Dehnung eine messbare Widerstandsänderung verursacht, mit hoher Empfindlichkeit (großer K-Faktor), besonders bei Halbleitermaterialien, und typischerweise in Brückenschaltungen zur präzisen Messung eingesetzt wird.

Theoretische Bestimmung:

Praktische Bestimmung:

Der Seebeck-Effekt ist ein thermoelektrischer Effekt, bei dem eine Temperaturdifferenz in einem elektrischen Leiter- oder Halbleitersystem eine elektrische Spannung erzeugt.

Anschauliche Erklärung

• Wenn zwei unterschiedliche elektrische Leiter (z. B. zwei Metalle oder Halbleiter) zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden sind,

• und die beiden Verbindungsstellen (Kontaktstellen) unterschiedliche Temperaturen haben,

• dann entsteht im Kreis eine elektrische Spannung (und bei geschlossenem Kreis ein Strom).

Diese Spannung nennt man Thermospannung oder Seebeck-Spannung.

Ein Thermoelement (Thermopaar) besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen, die an einer Stelle miteinander verbunden sind (die Messstelle).

1. Diese Messstelle wird auf die zu messende Temperatur gebracht.

2. Die anderen Enden bilden die Referenzstelle (Kaltstelle).

3. Besteht eine Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle, entsteht eine Thermospannung.

4. Aus dieser Spannung kann man die Temperatur der Messstelle berechnen.

Nützlich:

Sehr großer Temperaturbereich

• Von ca. −200 °C bis über +1800 °C (je nach Typ, z. B. K, J, S, B …)

Robust und einfach aufgebaut

• Unempfindlich gegen Vibrationen, Schmutz, raue Umgebungen

• Ideal für Industrie, Motoren, Öfen, Abgase, Turbinen, Schmelzöfen

Schnelle Reaktionszeit

• Kleine Messstelle → schnelle Temperaturänderungen gut messbar

Keine externe Versorgung nötig

• Erzeugt die Messspannung selbst (passiver Sensor)

Probleme:

Geringe Messspannung

• Nur wenige µV bis mV pro Kelvin

• → empfindlich gegen Störungen, braucht gute Verstärkung und saubere Elektronik

Kaltstellenproblematik (Referenzstelle)

• Man misst nicht die absolute Temperatur, sondern die Temperaturdifferenz

• → Die Temperatur der Anschlussstelle muss bekannt oder kompensiert werden (Kaltstellenkompensation)

Begrenzte Genauigkeit (im Vergleich zu z. B. Pt100)

• Drift durch Alterung, Oxidation, Materialveränderung

• Für hochpräzise Labormessungen oft nicht die erste Wahl

Nichtlinearität

• Zusammenhang Spannung ↔ Temperatur ist nicht perfekt linear

• → braucht Tabellen oder Kennlinienkorrektur

Piezoelektrischer Effekt:

mechanische Verformung -> elektrische Spannung

Elektrische Spannung -> mechanische Verformung

Elektrostriktion:

Elektrostriktion ist die mechanische Verformung eines dielektrischen Materials durch ein angelegtes elektrisches Feld, wobei die Verformung proportional zum Quadrat der Feldstärke ist.

Typische Anwendungen des piezoelektrischen Effekts in der Sensorik sind

• Kraft-,

• Druck-,

• Beschleunigungs-,

• Vibrations-,

• Schall-,

• Ultraschall-,

• Klopf- und Körperschallsensoren

• sowie dynamische Drehmoment- und Druckmessungen.

Bestimmte Kristalle zeigen, wie ferromagnetische Stoffe bei Einwirkung eines magnetischen Feldes, bei Einwirkung eines elektrischen Feldes auch ein Hystereseverhalten.

Daher spricht man in diesem Zusammenhang von ferroelektrischen Stoffen. Ein ferroelektrischer Stoff ist immer auch piezoelektrisch, jedoch gilt der Umkehrschluß nicht (z.B.: Quarz).

Sie haben nichts mit Eisen zu tun.

-> „Ferro“ bedeutet hier nicht „aus Eisen“, sondern ist eine Begriffsübertragung vom Ferromagnetismus auf die Elektrizität wegen des ähnlichen physikalischen Verhaltens

Das Piezomodul d beschreibt dabei den Umwandlungsfaktor zwischen mechanischer und elektrischer Größe.

Spannung = E-Modul*Dehnung

mit epsioln = delta l /l , wobei delta l / l die Dehnung ist

Die Dehnung (auch Normaldehnung) ist eine dimensionslose mechanische Größe, die angibt, wie stark ein Körper relativ zu seiner ursprünglichen Länge verlängert oder verkürzt wird.

Mechanische Spannung:

EInheit: 1 Pascal: Pa = N/m^2

E-Modul:

Einehit: Pa

Druck:

EInheit: Pa