6.4 Kapazitive Sensoren

6.4 Kapazitive Sensoren Kondensator: mit A = Elektrodenfläche, d = Abstand, l = Länge, R1 sowie R2 = Radien und εr = Dielektrizitätszahl , ε0=Dielekt...
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6.4 Kapazitive Sensoren Kondensator:

mit A = Elektrodenfläche, d = Abstand, l = Länge, R1 sowie R2 = Radien und εr = Dielektrizitätszahl , ε0=Dielektrizitätskonstante

Bezeichnung

Kapazität

Elektrisches Feld Schematische Darstellung

Plattenkondensator Zylinderkondensator

Änderung der Geometrie: Abstand → Oberfläche als Kondensatorplatte, Druck → Verformung einer Membranelektrode, Beschleunigung → Elektrode als Seismische Masse Änderung des Dielektrikums: Neigung → flüssiges Dielektrikum, Füllstand → Niveau einer Flüssigkeit, Feuchtigkeit → die das Dielektrikum beeinflusst 1 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

Sensoren und Messsysteme

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6.4 Kapazitive Sensoren Mit Mittelelektrode: Der Differentialkondensator besitzt im Vergleich zum Einfachkondensator die doppelte Messempfindlichkeit, den doppelten Messbereich und eine bessere Nichtlinearität. Eingesetzt wird er zur automatisierten Präzisionswegmessung.

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Differentialanordnung unterdrückt Störungen die durch Temperatur oder elektromagnetische Einwirkungen bedingt sind. 2 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

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6.4 Kapazitive Sensoren Schaltungstechnik:

Brückenschaltung mit Differentialkondensator, mit Trägerfrequenzspannungsversorgung und phasenempfindlicher Gleichrichtung. Vorteil: Störungen, die nicht „in Phase“ sind werden abgeschwächt.

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6.4 Kapazitive Sensoren: Beispiele Näherungsschalter: (binärer Sensor) Metalle C↑ (Cmit > Cohne); Isolator C↑ (εr↑). Koaxiale Bauform und versenkte Mittelelektrode gegen unerwünschte Streukapazitäten. Anwendung: Detektion metallischer und nichtmetalischer Messobjekte, auch durch Wandungen. Füllstand: (Rohrkondensator) Gesamtkapazität hängt linear vom Füllstand ab. Feuchtesensor: Äußere Elektrode porös, gestattet Kontakt von Luftfeuchtigkeit mit hygroskopischer Folie, die das Dielektrikum bildet und die Elektroden trennt. 4 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

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6.5 Ultraschallsensoren Schallgeschwindigkeiten: Messgröße Laufzeit t: d = c∙t ,d = DickeMedium , c = Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten: mit K = Kompressionsmodul und ρ = Dichte c Schallgeschwindigkeit in Gasen: mit К = Isentropenexponent (Eine Zustandsänderung ist isentrop, wenn sie adiabat und reversibel verläuft.) ,

c  R = 8,31444 J/(mol K) universale Gaskonstante, T = Temperatur, M = Molmasse, Schallgeschwindigkeit in Festkörpern: für Longitudinal- cL und Transversalwellen cT cL  mit E = Elastizitätsmodul, G = Schubmodul. 5 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

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K

   R T M

E



cT  ;

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G



6.5 Ultraschallsensoren

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6.5 Ultraschallsensoren Schallübertragung zwischen verschiedenen Medien: mit Schallkennimpedanz ZF („Wellenwiederstand des Mediums“) mit ps = Schalldruck, vs = Schallschnelle (Teilchengeschwindigkeit) → In Festkörpern und Flüssigkeiten ist ZF um den Faktor 10⁴ höher als in Gasen.

ps ZF    c vs An Grenzflächen mit ZF1 und ZF2 kommt es zu Reflexion R und Transmission T mit 2

 Z F1  Z F 2   und R    Z F1  Z F 2  7 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

4  Z F1  Z F 2 T  1 R  . ( Z F 1  Z F 2 )²

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6.5 Ultraschallsensoren Abstandsmessung: Aus der gemessenen Zeit t zwischen Sendepuls und empfangenem Echo ergibt sich der Abstand a gemäß a = (t∙c)/2.

taus = Totzeit, bei PZT-Wandlern ca. 1 ms was 0,2 bis 0,5 m entspricht, bei Sell-Wandlern oder PVDF nur 1 cm.

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6.5 Ultraschallsensoren Ausführungsformen von Ultraschallwandlern und zugehöriger Zeitverlauf der Ausgangsspannung UE bei Verwendung als Empfänger für Ultraschall-Pulse. oben – Gekapselter piezoelektrischer Wandler mit PZT-Piezokeramik Mitte – Elektrostatischer Wandler (Sell-Wandler) unten – Hochgedämpfter Wandler mit piezoelektrischer PVDF-Folie Verwendete Frequenzen liegen zwischen 40 kHz und 150 MHz.

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6.6 Widerstandsthermometer Metallische Widerstände Die Streuung der Leitungselektronen im Gitter bewirkt eine fast lineare Zunahme des Widerstands Rϑ mit der Temperatur ϑ. Es gilt:     0 R  R0 1      , mit R0 = Widerstand bei Bezugstemperatur ϑ0, α =Temperaturkoeffizient Pt-100 und Ni-100: Platin- bzw. Nickelwiderstand mit R0 = 100 Ω Temperaturkoeffizienten: αPt = 3,85∙10⁻³ K⁻¹ αNi = 6,17∙10⁻³ K⁻¹ Genau Temperaturbestimmung mit Hilfe von Polynomen! Ni-100 ist empfindlicher, aber auch nichtlinearer als Pt-100. Temperaturbereiche: Pt-100 -260°C bis 750°C Ni-100 -60 °C bis 180 °C Eigenerwärmung ∆ ϑe: muss gering sein, d.h. Messstrom I ↓ Selbsterwärmungskoeffizient S: ∆ ϑe =S∙I²∙R Ausführungsformen: auch als Pt-500 und Pt-1000 10 11. Mai 2016· W. Xie, S. Hagemeier

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6.6 Thermochip Prinzip des Ausbreitungswiderstandes: - bei n-Halbleitern führen in einem begrenzten Temperaturbereich (-50 bis 150 °C) die Gitterschwingungen zu einer linearen Widerstandserhöhung. Dies gilt so lange die Ladungsträgerkonzentration konstant bleibt. (spreading resistance)

Si-Temperatursensor KTY

Der Widerstand hängt von Geometrie und Dotierungskonzentration ab. Für Si-Sensoren gilt: R = ρ/(2d) für d