Prüfung 04.06.2024

Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrisch messbare Größen um

Antriebe zur Erzeugung von Bewegung, Kräften und Dreh-Momenten

elektrische Signale werden in ander Energieformen umgewandelt

• Aktives Geberprinzip: Sensoren die auf Grund des physikalischen Prinzips von sich aus eine korrespondierende Spannung abgeben —> keine Externe Versorgung notwendig

  • Piezoelektrischer Effekt Kraft-, Druck-, Beschleunigungsmessung

  • Seebeck Effekt Temperaturmessung

  • Pyroelektrischer Effekt berührungsloses Temperaturmessung

• Passives Geberprinzip: Sensoren die eine externe Versorgung mit elektrischer Hilfsenergie benötigen

  • Änderung Widerstand

  • Änderung Kapazität

  • Änderung Induktivität

• Ideale Sensorkennlinie

  • Im ideal Fall ist der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangssignal linear und ungestört von Einflüssen

• reale Sensorkennlinie

  • unerwünschte Abweichungen durch Fehler bei Sensoren

• Empfindlichkeit (S): Definiert als Steigung der Kennlinie

  • bei einem linearen Sensor ist diese konstant

• Einflüsse durch Störgrößen

  • Temperatur (immer bei der Messung von mechanischen Größen z.B. Druck)

  • Luftdruck/Luftfeuchte

  • mechanische Erschütterung

  • Versorgungsspannung

  • elektrische/ magnetische Felder

• Grundstrukturen

  • Reihen und Kettenstruktur

  • Parallelstruktur

  • Kreis und gegenkopplungsstruktur

• Reihen und Kettenstruktur (Temperatursensor)

  • k1k2k3= Gesamtübertragungskoeffizient (die relativen Änderungen addieren zu einem relativen Gesamtfehler)

  • nicht lineare Sensorkennlinien können in einer Kettenstruktur korrigiert werden

    
    

• Parallelstruktur (chemische Reaktoren)

  • für sicherheitsrelevante Anforderungen —> mehrere Ausgangssignale werden dabei miteinander verglichen

  • gleichartige Sensoren können durch bestimmte Störungs-Szenarien gleichzeitig ausfallen, darum diversitäre Systeme. Sensoren setzen auf unterschiedliche Funktionsprinzipien

• Kreis und Gegenkopplungsstruktur (kraftkompensierende Beschleunigungssensoren)

  • Vom Ausgang eines Sensorverstärkers wird ein Teil des Spannungs- oder Stromsignal zurück zum Eingang zurück geführt → Differenzeingangsspannung x-xk

  • Abgleich- oder Kompensationsverfahren

• Ein einfaches Sensorelement formt Messgrößen in elektrische Messsignale um

• Ein integrierter Sensor nimmt die Messgröße auf wandelt diese in eine elektrische Größe um verstärkt das analoge Messsignal.

  Unerwünschte Eigenschaften wie Driften, Nichtlinearitäten werden ebenfalls beseitigt.

• Ein intelligenter Sensor (smart sensor) ist ein Sensor, der neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette

  Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in einem Gehäuse vereinigt.

  
  

• Messgröße

• Einsatz- und Verwendungszweck

• Wirkungsprinzip bzw. Wirkungsweise

• Sensoren mit aktiven und passiven Gebern

• Widerstandsgeber

  • Widerstandsänderung durch Verschiebung des Schleifers eines Potis

• Kapazitive Geber

  • Kapazitätsänderung durch ändern des Plattenabstandes, Überlappung der Platten

• Induktive Geber

  • Induktivitätsänderung durch Verschieben des Kerns

• Photoelektrische Messsysteme

  • Zählen von Impulsen, die einer definierten Länge entsprechen.

  • Anzahl der Impulse entspricht Weg.

• Laufzeitmessung

  • Laufzeitmessung zwischen aussenden eines Signals und empfangen des Echos.

  • Zeit kann in Weg umgerechnet werden.

• Röntgenstrahlen, Ultraschall, Radarwellen, Laserstrahlen

• Optische Methode

  • Ortsauflösende Photodiode

• Triangulation

  • Durch Winkelmessung innerhalb eines Dreieckes, kann auf Weg geschlossen werden.

• Dehnmessstreifen bestehen aus Widerstandsmaterialen, deren Länge durch die Dehnung des Sensors geändert wird. Die Änderung der Länge führt wiederum zu einer Änderung des Widerstandes -> Formel

• Der Widerstandsdraht wird dabei mäanderförmig verlegt, um eine Große Änderung der Länge und dadurch auch des Widerstandes zu erreichen.

  
  

• Kapazitätsänderung durch Änderung des Plattenabstands, Dielektrimuk, Fläche oder Überlappung der Platten eines Kondensators.

  • Bildlageautomatik

• Beschleunigungsensor, Mikrofone,... Plattenabstand oder Überlappung durch Auslenkung ändern.

• Feuchtigkeitssensor -> Dielektrikum ändern

Beruhen auf der Änderung der Induktivität durch das verschieben von Eisenkernen

• oft verwendet in Annäherungsschaltern

  • Tauchkern-Spulensystem

    • Durch das verschieben des Tauchkerns ändert sich die Induktivität L

  • Differentialtransformator-Sensor

    • 1 Primärwicklung wird mit Wechselspannung gespeist, in 2 Sekundärwicklungen wird eine Spannung induziert. Die Spule in deren Richtung sich der Eisenkern verschiebt wird die Spannung größer, in der andern kleiner

Indirekt:

• Der Sensor wird in ein Bauteil integriert und erfasst nur einen Teil der zu messenden Kraft

• Messgröße wird über Zwischengröße in elektrische Größe umgewandelt.

  • DMS

  • Induktive Kraftsensoren

Direkt:

• Sensor ist im Kraftfluss des Bauteils fest eingebaut.

  • Absolutkraft wird gemessen

    o   Piezoelektrischer Sensor -> Q = f(F)

    o   Piezoresistiver Sensor -> R = f(F)

    o   Magnetoelastischer Sensor -> L = f(F)

• durch Kräfte oder Drücke entsteht eine elektrische Spannung —> Ladungen werden verschoben und es entsteht eine Polarität

• Nur in nicht leitenden Materialien

• Kräfte: Kraft, Drehmoment, Druck, Beschleunigung, Vibration

• Sehr robust bei Temperaturschwankungen + großer Messbereich

• Durch die gemessene Spannung kann auf den Druck geschlossen werden

• Aktiver Gebereffekt

• Verformung durch Druck oder Kraft → spezifischer Widerstand ändert sich

• Auf Atomarer Ebene vergrößert bzw. verkleinert sich der

  Abstand der Atome im Kristallgitter, damit ändert sich auch der

  Bandabstand sowie die Form des Leitungsbandes. Dadurch ändert

  sich die Anzahl sowie die Beweglichkeit der Ladungsträger aufgrund

  der Krafteinwirkung

• Differenzdruckmessung → Druckdifferenz zwischen zwei Messkammern

• Relativwert zum Luftdruck → Referenz ist der atmosphärische Luftdruck

• Absolutwert → Eine Kammer mit einem lebenslang konstanten Referenzdruck z.B. Vakuum

• Flüssigkeits-Druckmessgerät

  • Druck wird durch vergleich mit der Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule bestimmt.

• Mechanische Druckmessung

  • Druck wirkt auf federelastisches Messglied (Spirale), dieses verformt sich proportional zum Druck und dreht einen Zeiger bzw betätigt einen Schalter.

• Elektrische Drucksensoren

  • Piezoelektrischer Drucksensoren

  • Piezoresistiver Drucksensoren

  • Piezoresonatoren

  • Kapazitiver Drucksensor

• Faseroptische Drucksensoren

  • Membranauslenkung führt zur Auslenkung / Biegung einer Glasfaser wodurch sich das Übertragungsverhalten für Licht.

  • Intensität, Wellenlänge, Laufzeit,... worauf auf den Druck geschlossen werden kann

• Kolbenmanometer

• Messen rotatorische Beschleunigung mit Hilfe der Trägheitskraft

  • es kann auf translatorische Beschleunigung und winkelgeschwindigkeit geschlossen werden

• Kombination aus mehreren Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren (IMU)

  • Flugnavigation, Bewegungsdetektion, Lenkflugkörper, tragbare Geräte z.B. Smartphones

• Beschleunigung erzeugt eine Kraft die gemessen wird

• Grundprinzip ist immer die Wirkung der Beschleunigung auf ein gedämpftes Feder-Masse-System. Daher wird eine seismische Masse an ein Gehäuse gekoppelt und diese durch die Beschleunigung gegenüber dem Gehäuse verschoben

  
  

• Eine definierte elastisch gelagerte träge Masse

Der piezoelektrische Bimorph ist aus 2 gegensinnig polarisierten Keramiken zusammengesetzt, durch die gegensinnige Polarisierung addieren sich die dabei entstehenden Teilspannungen zu einer resultierenden Gesamtspannung die an den beiden äußeren Metallisierungsschichten abgegriffen werden kann.

• durch das Biegen entshet auf der einen Seite eine mechanischZugspannung und auf der andern Seite eine Druckspannung

• Gyroskope messen die Winkelbeschleunigung in drei Richtungen, mit der Corioliskraft (Stimmgabelprinzip)

• Metallelemente werden durch Strom in Schwingung gebracht, durch Rotation ändert sich die Schwingung → Herum angeordnete Kondensatoren registrieren dies

●       Zweimassenschwinger?

+ Geringere Baugröße, leichtere Herstellung, Billiger

– Messeffekt wird verkleinert und Genauigkeit sinkt

• Mikrofon= akustische Größe → elektrische Größe (Sensor)

• Lautsprecher= elektrische Leistung → Schall-Leistung (Aktor)

• Elektrostatischer Wandler

  • Membran wird zum schwingen gebracht → Auslenkung ändert die Kapazität des Kondensators

• Elektrodynamischer Wandler

  • Die Membran bewegt eine Spule in einem Magneten→ es wird eine Spannung in die Spule induziert

• Piezoresistiver Wandler

  • Schalldruck ändert den Widerstand

• Elektromagnetiscer Wandler

  • Magnetischer Fluss im Magnet ändert sich durch die Schwingung im Luftspalt eines Magneten→ Spannung wird induziert

• Piezoelektrischer Wandler

  • Schalldruck erzeugt Verschiebung der Ladungsträger → somit die Spannung

Empfindlichkeit:

• Sensitivität setzt sich aus der mechanischen und der elektrischen Sensitivität zusammen.

• Für die Gesamtempfindlichkeit des Mikrofons folgt somit S = Sm·* Sel mit der Einheit V/Pa.

Kondensatormikrofon:

• Elektrostatischer Wandler -> die leitfähige elastische Membran und das feststehende Gehäuse biledn jeweils eine Elektrode eines Gehäuses

• passiver Geber

Elektret Mikrofon

• gleicher Aufbau wie beim Kondensatormikro,nur besteht ein Teil der Membran aus einem Elektret

  • Elektret ist ein dauerhaft polarisierte Schicht welche Ladung dauerhaft speichert -> es dauerhaft eine Spannung vorhanden

• aktiver geber -> es ist keine Spannungsquelle notwendig

●       Erklären Sie den Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise eines Kohlemikrofons.

o   Durch den Schalldruck wird die Membran ausgelenkt und in Schwingung gebracht, was dazu führt, dass ein sensitives (piezoresistives) Element bestehen aus Kohlepulver verformt wird.

o   Die Verformung des Kohlepulver führt dazu, dass sich die Kontaktflächen zwischen den Kohlepartikeln vergrößert und auch neue Kontaktflächen entstehen, dadurch sinkt der Widerstand des Elements.

●       Erklären Sie den Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise eines MEMS-Mikrofons.

o   Derzeit sind nur Mems Mikrophone welche auf dem Kondensatormikrofon beruhen am Markt

▪        Spulen, Magneten und piezoresistive-piezoelektrischen Materialen lassen sich nicht miniaturisiert herstellen

o   Ultraschallwellen (Sinusform) werden von Steuerelektronik erzeugt, mit Leistungsverstärker verstärkt und durch Schallwandler (Aktor - Lautsprecher) ausgesendet, stoßen diese auf Festkörper, werden die Schallwellen reflektiert und der Schallwandler (Sensor – Mikrophone) empfängt das Echo des gesendeten Impulses.

o   Durch Auswertung des empfangenen Echos kann daraus die Entfernung zum Festkörper ermittelt und in ein Ausgangssignal umgesetzt werden.

o   Beruhen auf Laufzeitmessung

• Pulsechoverfahren:

  • Abstand über Laufzeitmessung bestimmen -> Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen des Pulses

    • KFZ Abstandsmessung

• Relativmessung:

  • Messung an einem Referenzobjekt durchführen und Messwert auf diese Referenz beziehen.

  • Dickenmessugen

  • Abwickelkontrolle

  • Schichtdickenmessung

• Beruht auf dem strömungsmechanischen Effekt, dass bei einer örtlichen Verengung des Querschnitts in einem Rohr, es zu einer Druckdifferenz vor und nach der Verengung kommt.

• Zur Verengung werden Messblenden eingesetzt

• Die Durchflussmenge lässt sich durch Auswerten des Differenzdruckes vor und nach der Blende ermitteln.

Grundlage auf dem Faraday’schen Gesetz der elekromagnetischen Induktion

• In der leitfähigen Flüssigkeit werden Ladungsträger durch das Magnetfeld abgelenkt

• An den Messelektroden entsteht durch die Ladungstrennung eine Spannung die gemessen wird

  • die Höhe der gemessenen Spannung ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger (=Fließgeschwindigkeit

• Vorteile:

  • Keine mech. bewegten Teile (Veschleiß- und wartungsfrei)

  • Keine Querschnittsverkleinerung (auch für Schlämme, etc. geeignet)

  • Minimaler Wartungsaufwand

• Nachteile:

  • Nur für leitende Flüssigkeiten geeignet (Treibstoffe, Gase und flüssige Kohlenwasserstoffe nicht messbar)

  • Ablagerungen im Messrohr können zu Messfehlern führen

• Beruhen auf dem Effekt, dass sich die Laufzeit (Fortpflanzungsgeschwindigkeit) eines Ultraschallsignals (Schallwellen) mit der Strömungsgeschwindigkeit des Übertragungsmedium ändert.

• Reflexionsverfahren

• Driftverfahren (a)

  • zwei Empfänger → Es entsteht eine Differenz zwischen beiden Empfängern

  
  

• Doppler-Messmethode

  • Schallsignale werden an Luftblasen oder Feststoffpartikeln reflektiert → Schall wird komprimiert=kürzere Wellenlänge

• Auf einem Substrat sind zwei Elektroden aufgebracht zwischen denen sich ein Feuchteempfindliches Dielektrikum befindet, welches porös ist und sich mit Wasserdampf anreichern lässt.

• Der Wasserdampf dringt in das Dielektrikum ein und führt zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstante.

• Wasser weißt eine hohe Permittivität auf, was zu einer hohen Kapazitätsänderung führt

• Nutzen den Effekt, dass sich der Widerstand eines Materials mit der Temperatur ändert.

  • Dieser Effekt ist bei Halbleitern besonders groß (wenig Temperaturänderung viel Widerstandsänderung -> großer Temperaturkoeffizient

  • Bei Metallen steigt der Widerstand mit der Temperatur an.

• Temperaturkoeffizient ist abhängig vom Metall / Legierung und der Temperatur.

• Sehr genau

• Hohe Stabilität (thermischer, mechanischer, klimatechnischer Hinsicht)

• Schwing und stoßfest

• Kennlinie standardisiert

• Resistent Umwelteinflüsse

• Langzeitstabilität

• Schnelle und fehlerfreie Weiterverarbeitung der Signale

Dioden:

• Diodenkennlinie ist temperaturabhängig (Durchlassspannung) -> Spannungsabfall an der Diode kann gemessen werden

Transistor:

• Beim Transistor gibt es eine Abhängigkeit zwischen Ube, Ic und der Temperatur

• Wird der Transistor mit einem Konstanten Strom IC betrieben, kann die Ube Spannung zur Messung der Temperatur herangezogen werden.

• Durch Parallelschaltung von mehreren Transistoren kann IC auf die einzelnen Transistoren aufgeteilt werden.

• Aktiver Sensor

• Bestehen aus zwei unterschiedlichen Metalldrähten die an beiden Enden zusammengelötet/geschweißt werden. Einen der Drähte trennt man auf und schaltet ein Voltmeter dazwischen. Die verlöteten Enden werden als Fühler verwendet.

• Werden zwei Metalle, die sich berühren auf unterschiedliche Temperatur erhitzt, kommt es zum Übertritt von Elektronen von einem auf das andere Metall, es entsteht ein Potentialunterschied und einer messbaren Spannung (Thermospannung) zwischen den Metallen.

• Spannung ist proportional mit der Temperatur

• In der Praxis werden zwei unterschiedliche Metalle eingesetzt um den Effekt besonders effektiv zu nutzen:

• NiCr-Ni                Nickel Chrom

• Zur Messung von Temperaturdifferenz oder mit Referenztemperatur zur Messung der Temperatur

• Thermosäule

  • Bestehen aus in Reihe geschaltenen Thermoelementen, wodurch sich die sehr geringen Thermospannungen aufaddieren.

  • Membran -> schlecht wärmeleitend damit Umgebung Absorber nicht erwärmt

  • Absorberschicht -> wird von der Einfallenden IR Strahlung erwärme

  • Wärmesenke -> gut wärmeleitendes Silizium welches von der IR Strahlung nicht erwärmt wird (Referenz) und auf der Umgebungstemperatur gehalten wird

  • 100 Thermopaare sind zwischen Absorber (warmer Kontakt) und Wärmesenke (kalter Kontakt) angebracht zur Messung des Temperaturunterschieds zwischen der Umgebung und der Strahlungsenergie die mithilfe des Absorbers in Wärme umgesetzt wird.

  • Thermosäulen wandeln Temperaturunterschied in eine Spannung um.

• Bei Pyroelektrischen Materialien ändert sich durch die Temperaturänderung die elektrische Polarisation.

• Durch die Temperaturänderung ändert sich der Abstand der Gitterionen

• Es entstehen Oberflächenladungen wodurch sich ein negativer und ein positiver Pol bildet und eine Spannung an den Anschlüssen gemessen werden kann.

• Bestehen aus einer geeigneten Optik (Linse, Fenster) welche auf das Sensorelement, bestehend aus einem pyroelektrischen Material zwischen zwei Metallplatten, gerichtet ist.

• Über zwei Anschlüsse an den beiden Metallplatten wird die Spannung abgegriffen.

• Pyroelektrische Materialien müssen permanenten elektrische Dipole besitzen

• Jeder Körper strahlt entsprechend der Temperatur Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus.

• Jeder Körper stellt eine Strahlungsquelle mit kontinuierlichem Spektrum dar.

o   Durch Messung der Wellenlänge und Intensität der elektromagnetischen Strahlung, kann die Strahlungsleistung bestimmt und daraus auf die Temperatur geschlossen werden.

• Bei Lichteinstrahlung werden Elektronen aus ihrer Bindung gelöst indem Photonen absorbiert werden, dies führt je nach Aufbau des Materials zu unterschiedlichen Effekten

• Photoleitung

  • Durch die Bestrahlung von Halbleitern mit Licht -> Absorption (Aufnahme) von Photonen, werden Elektron vom Valenzband in das energetisch höher gelegene Leitungsband gehoben, es entstehen freie Elektronen Loch Paare, was dazu führt, dass mehr elektrische Ladungsträger zur Verfügung stehen.

  • Die Leitungsfähigkeit steigt.

  • Die Photonenenergie muss dazu mindestens so groß wie die Energielücke zwischen Valenz und Leitungsband sein.

    
    

• Photovoltaischere Effekt

  • Strahlt Licht auf den pn Übergang eines Halbleiters, so findet eine Ladungstrennung statt:

  • Elektronen wandern zum n Kontakt

  • Löcher wandern zum p Kontakt. Die Bewegung der Elektronen entspricht ein Strom -> Photonenstrom

    
    

• Photodetektoren

  • Photodiode -> liefern bei Bestrahlung einen Strom

  • Photowiderstand -> ändern Widerstand bei Bestrahlung

  • CCD Sensoren -> bestehen aus Photodioden Matrix

• Bei Bestrahlung des Photowiderstandes (Halbleiters) mit Licht sinkt dessen Widerstand.

  • Dies beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt

    
    

Photodiode:

• Ist eine Halbleiter Diode die Licht an einem pn Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt.

  • Bestehen wie normale Dioden aus einem p und n dotierten Halbleitern

  • N dotiert -> 5 Elektronen -> eines zu viel -> freies Elektron

  • P dotiert -> 3 Elektronen -> eines zu wenig -> Löcher

  • Durch Diffusion werden die Löcher in der p dotierten Schicht von den freien Elektronen der n dotierten Schicht besetzt.

  • Es entsteht eine Raumladungszone ohne freie Elektronen -> Isolator.

  • Treffen nun Photonen ausreichender Energie auf die Diode, so werden in der Raumladungszone Elektronen aus ihrer Bildung gelöst (innerer Photoeffekt) und vom ungleichgeladenen Pol (entgegen der Diffusionsspannung) angezogen, was zu einem Strom führt.

• Der Sperrstrom steigt bei Belichtung an, was zur Lichtmessung ausgenutzt werden kann.

• Bestehen aus Silizium, Germanium, bzw. Verbindungshalbleiter.

Pin Photodiode:

• Bestehen aus n und p dotierten Schicht und dazwischen einer zusätzlichen intrinischen (eigenleitenden) Schicht.

• Durch die zusätzliche Schicht wird die Raumladungszone vergrößert.

• Dadurch können mehr Ladungsträger in Raumladungszone gespeichert werden und die Diode wird schneller.

  • Temperaturstabiler und schneller

  • Strahlungsmessung und Lichtwellenleiterempfänger

Avalanche Photodiode:

• Geicher Aufbau wie PIN Diode, mit spezieller Feldstärkenverteilung.

• Werden Elektronen durch den inneren Photoeffekt aus ihrer Bindung gelöst, werden diese durch die spezielle Feldstärkenverteilung so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus ihrer Bindung lösen, was zu einer zusätzlichen Erhöhung des Stromflusses führt.

  • Sehr schnell und empfindlich

Ein Photoelement ist ein photoelektrisches Element das bei Beleuchtung (photovoltaisch) eine elektrische Spannung erzeugt.

Selen-Photoelemente (Selenzelle):

• Durch Lichteinstrahlung werden Elektronen freigesetzt, die durch Einfluss des elektrischen Feldes in Richtung des neutralen (raumladungsfreien) Bereiches der CdO-Schicht wandern. Die Löcher wandern in den neutralen Bereich

  der Selenschicht. Dabei entsteht eine Spannung zwischen beiden Bereichen, die

  abgegriffen werden kann.

• Beruhen auf dem inneren Photoeffekt

• Bestehen aus einer Matrix an lichtempfindlichen Bauteilen

  • MOS Kondensatoren oder Photodioden

• Jedes Sensorelement der Matrix bildet ein Pixel

• Treffen Photonen auf die p dotierte Silizium, so werden Elektronen aus ihrer Bindung gelöst (innerer Photoeffekt).

• Diese freien Elektronen werden durch Anlegen einer positiven Spannung von der oberen Elektrode angezogen und bleiben aufgrund der isolierenden Siliziumoxidschicht im Potentialkopf hängen.

• Die Ladung im Potentialkopf kann ausgelesen werden und entspricht der Intensität des eingefallenen Lichts.

• Aktoren/Aktuatoren/Wandler sind Systeme die elektrische Energie in eine andere Energieform bzw. physikalische Größe umwandeln.

  • Mechanische Energie (Motor)

    • Kraft, Drehmoment, Hub, Rotation

  • Thermische Energie (Heizungstrahler)

    • Wärme, Kälte

  • Optische Energie (Glühbirne, Bildschirme)

    • Licht, Strahlung

  • Chemische Energie

    • Be.- entfeuchtung, Explosionsdruck

  • Akustische Energie (Lautsprecher)

    • Schall

  • Elektrische Energie (Elektromagnet)

    • Magnetfeld, elektrisches Feld, Elektronenstrom

  • Fluideenergie (Pumpe, Hydraulikzylinder)

    • Druck, pneumatik, hydraulik

• Elektrische Energie

  • Elektromagnetisch

• Fluid Energie

  • pneumatik

  • hydraulik

• Thermische Energie

  • Formgedächtnis

• Chemische Energie

  • Elektrochemisch

• Wird an ein Piezoelektrisches Material eine elektrische Spannung angelegt, kommt es zum Aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts zu einer mechanischen Deformation und einer Dicken/Längenänderung.

  • Angelegte Spannung führt zu einem elektrischen Feld, welche zur Verschiebung von Ladungsträgern führt wodurch das Material verformt wird

• Anwendung

  • Druckköpfe -> Ventil

  • Einspritzsystem PKW -> Ventil

• Vor-/Nachteile

  • + Schnelle Reaktionszeiten, große Stellkräfte, hohe Empfindlichkeit, lange Lebensdauer.

  • - Kurze Stellwege, hohe Eingangsspannung, geringe Ausgangsleistung

• Besteht aus drei Piezoaktoren

  • Zwei zur Klemmung des Stabes

  • Einer zur axialen Bewegung des Stabes

• Sind elektrothermische Wandler die auf dem Peltier Effekt beruhen

  • Wird an das Peltierelement eine Spannung angelegt entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.

  • Umgekehrt kommt es auch zu einer Spannung, wenn es von außer eine Temperaturdifferenz auf die Platten einwirkt.

• Ein Peltier Element besteht aus p und n dotierten Halbleitern welche über unterschiedliche Energieniveaus im Leitungsband aufweisen.

• Die Halbleiter sind über Metallbrücken Abwechslungsweise in Serie geschalten werden. Oben und unten befindet sich als Wärmeträger eine Keramikschicht.

• Fließt durch die Kontaktstellen Strom, so nehmen die Elektronen beim Übergang von der n zu der p dotierten Schicht unterschiedliche Energieniveaus an.

  • Beim Wechseln in ein höheres Energieniveau geben sie Energie in Form von Wärme ab

  • Beim Wechsel in ein niedrigeres Energieniveau nehmen sie Energie in Form von Wärme auf

• Erzeugung von Kräften und Bewegungen mithilfe von flüssigen und gasförmigen Stoffen

  • Wandeln hydraulische/pneumatische Energie in mechanische Energie um

  • Dazu wird der Energieträger komprimiert (verdichtet), durch erhöhen der Temperatur oder senken des Volumens.

• Komprimierte Energieträger wird genutzt um Kolben zu bewegen, oder Zahnräder in Rotation zu bringen.

• elektrische Energie in mechanische Energie in Form einer Drehbewegung