Intelligente Sensorsysteme
Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik MEASUREMENT AND SENSOR
Industrieunternehmen
Spanien Italien
Sfax- Tunesien
International Measurement Confederation
Professur für Mess- und Sensortechnik Estland
Forschung für die Mess- und Sensortechnik Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Ingenieurausbildung S. 0-2
German IEEE Student Branches (until August 2014)
S. 0-3
NEW!!! An IEEE Student Branch of Chemnitz is born! • Local technical and social activities • Exchange with other student branches in Germany, in Region 8 and World Wide • Participation to the IEEE Student Conference • Financial support from IEEE
S. 0-4
Allgemeines
Vorlesung und Übung (siehe Vorlesungsplan) Vorlesung: Übung:
Montag Freitag (1.Wo.)
09.15 – 10.45 Uhr, 11.30 – 13.00 Uhr
2/W059 2/N005
Betreuung der Übungen Dipl.-Ing. Thomas Günther
Skripte, Übungen und Infomationen zur Lehrveranstaltung https://bildungsportal.sachsen.de/opal/
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-5
Vorlesungsplan
Versionsnummer
https://bildungsportal.sachsen.de Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-6
Lehre @ Lehrstuhl für Mess- und Sensortechnik 3. Semester
5.-7. Semester
8.-9. Semester
Smart Sensor Systems (Deutsch/Englisch) 4 SWS (WS)
MNS, MP, ATEN
Elektrische Messtechnik
Sensorsignalverarbeitung MNS
ET, IKT, MTM, … 3 SWS (WS)
4 SWS (WS)
Photonics MNS
Sensoren und Sensorsignalauswertung
Automotive Sensors MNS, EVS, ASE
ET/MTM/SpE/CosP
3 SWS (WS)
2 SWS (SS)
4 SWS (SS)
Energiespeichersysteme EET, EM,
4 SWS (SS)
Praxisseminar Mess- und Sensortechnik MNS, Informatik, AE
2 SWS (SS)
Embedded System Lab ES
2 SWS (SS)
Projektpraktikum, Bachelorarbeit, Masterarbeiten Alle Studenten, Projekte in Kooperation mit Industrie
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S. 0-7
Forschungsgebiete@MST Laser
A
Batterien, DSK Energiemanagement Charakterisierung und Modellierung Online Diagnose
AFM-Steuerung
Energiespeicher
Neuartige Messverfahren B
IS-basierte Parameterbestimmung Impedanzanalyzer 4294 Systemmodellierung HP A Makro- sowie mikroAnalyse |Z()|, skopische () < 1µm
Energy Harvesting Energiemanagement Drahtlose Sensoren
Energieautarke Sensorik
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Neuartige Sensoren
CNT basierte Sensoren Wirbelstromsensoren Leitfähigkeitssensoren Kapazitive Sensorik
Neue Messprinzipien sensornahe Signalverarbeitung Entwurf von Messsystemen
S. 0-8
System Identification
Variation of Frequency
U~(f) -jZ / Ω (Imaginärteil)
I~ (f)
Z(jω)=Z’(ω)+j·Z’’(ω) ω
Z’’(ω1) |Z(ω1)| φ(ω1) R’
Z’(ω1)
Z / Ω (Realteil) R’’
Impedance Spectroscopy
Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology
Impedance spectroscopy ~ ~
~
R
Batteries
CNT-Dispersions
C
Sensors
Bio & Medical
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Materials & Structures
Cables
Beispiel: Batteriediagnose
Im(Z) in W
10 kHz
1,2 Ah Li-Ion Endladen, 0.003 Hz bis 1031 Hz
Induktivität
0
Zyklus 0-200
Prosität
State-of-health (SOH)
-0.04
State-of-Charge (SOC)
Durchtrittsreaktion Diffusion
f
-0.08
3 mHz
0
0.02
0.06 0.1 [Re(Z) - min(Re(Z))] in W
0.14
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0.18
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
Zerstörungsfreie Diagnose Unabhängig von Zellchemie und Aufbau Bestimmung Innerer Zustände □
SoH, EoL
Herausforderungen □ □ □
Messdauer Komplexität der Hardware Erforderlicher Speicher und Rechenaufwand
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Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Modellbildung
Messung & Verarbeitung
Kontakte
Elektroden
Diffusion
Parameterextraktion ✓ Zustandsüberwachung (SoH, EoL) ✓ Simulation des Zeitbereichsverhaltens ✓ Einsatz in Qualifikation und Online-Überwachung ✓ reduzierter Anteil „a priori-Wissen“ Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Diagnose von Energiespeichern Elektrochemisch-physikalisch basierte Modellierung
Frequenzbereich
Impedanzspektrum + Frequenzbereichsmodell Im (Z ) / W
0
1000Hz 10.5Hz
-0.02
0.1Hz 0.01Hz
1Hz
ZMess
-0.04
Präzise Charakterisierung
0.00316Hz
Zmodel -0.06 0.08
0.1
0.12 0.14 0.16 Re (Z ) / W
0.18
0.2
Zeitbereich xn +
a1 a2
4.1
z-1
b1 z-1
b2
Zeitbereichsmodell z. B. digitales Filter Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
U/V
b0
yn +
Vorhersage der Batteriespannung
4 3.9 uMess
3.8
uSim 0
200
400 t/s
600
800
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie Beispiel: Simulation des Batterieverhaltens mittels Impedanz-Ansatz
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
Labor > 10k€
u/i
Embedded ✓ klein ✓ günstig ✓ portabel
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Tower
Field Distribution
Transmission Line
Energy Harvesting
Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology
System Aspects for Energy Harvesting Availability of Energy Lastcharakteristik ttransmit tmeasure
EM-Strahlung P
Vibration t tsleep
[Kanoun et al., IEEE IMTC 2006]
- State of Health - State of Charge
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Optimisation of Energy Consumption
S. 0-18
Systeme mit Energy Harvesting Untersuchung
Simulation
Entwurf
Verifikation
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S. 0-17
Energy Harvesting on Power Lines High-Voltage Transmission Network
Development of an Energy Supply Module for a Wireless Sensor Node on High Voltage Power Lines
Node 1
Gateway (e.g.transformer station) Node 2 Node Daten: - Temperature - Inclination - Current
- Energy Converter from Electrostatic Field
Middle-Voltage Distribution Network
Node 4
Node 3
- Energy Supply for the wireless Sensor Node
Tower
Field Distribution
Transmission Line
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S. 0-18
Induktive Energieübertragung
Herausforderung: Geringere Effizienz bei • Achenverschiebung • großem Abstand Ansatz: MISO- Spulensystem
Beispiel: Durchmesser: 30 mm Abstand: 50 mm Achsenverschiebung: 10 mm Effizienz mit SISO : 9,28 % Effizienz mit MISO: 12,5 %
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S. 0-19
Vibrationswandler
Wandlereigenschaften:
Bewegte Permanentmagneten Fixierte Elektronik Reibarm durch Magnetlagerung
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S. 0-22
Nanocomposite Sensors
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Kohlenstoffnanoröhren (CNT) / Polymer-Drucksensoren
• Sensorprinzip piezoresistiver Effekt ∆R = f(FKompression)
• Vorteile + einfache Herstellung + gute Handhabbarkeit + kostengünstige Herstellung + Druckbar + Empfindlichkeit im zweistelligen Bereich
Sensorprinzip: a) Ausgangszustand, keine/wenige Leitpfade, hochohmig b) mech. Belastung, mehrere Leitpfade niederohmig c) Entlastung, keine/wenige Leitpfade, hochohmig
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S. 0-17
Druckmessung im Spannfutter CNTPolymer Abstandshalter
CNTs in Duroplast-Matrix Vier Interdigital-Elektroden • •
Sensorelement zur Kompensation
Zwei für Druckmessung Zwei für Kompensation von Einflusseffekten (T, q)
Elektrodendimensionen
Drucksensitiver Bereich Interdigitales Elektrodenlayout
• Elektrodenbreite: 150 µm • Elektrodenabstand: 100 µm CNTPolymerSchicht Abstandshalter
Abstandhalter • Schablone • Schichtdicke: 400-500 µm Sensoraufbau
InterdigitalElektroden
Substrat
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S. 0-18
Kraftmessung mit den neuartigen Sensoren Zyklische Kraftmessung
R-ΔR
Kraft
• Halbbrücke
U0
-
+ R
R-ΔR
Drucksensorprototyp
2,0
550
1,8
Abs ΔR in %
1,5
1,5 wt%
500
2 wt%
450
Kraft
400
1,3
350
1,0
300
0,8
250 200
0,5
150
0,3
100
0,0
50 0
Reproduzierbarkeit CNT-Epoxid-Komposite
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Kraft in N
• 2000 N Maximalkraft • Messwerte pendeln sich ein • gute Wiederholbarkeit
R
Ud
250
500
750
Zeit in s
1000
1250
Sensorsignal bei stufenförmiger Druckkraftbelastung
S. 0-19
Druckmessung an der Peripherie des Menschen
CNT Druck-Sensorarrays
CNTs in Elastomer-Matrix • • •
Sensor auf flexiblen Materialien z.B. Folien, Textilien Sensoren druckbar Messung des Fußdrucks und der Fußdruckverteilung
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-20
Struktur elektrischer Messeinrichtungen VDI/VDE 2600
Hilfsenergie
Messgröße
Aufnehmer Messumformer
Messsignal
Anpasser
Messverstärker, Elektronisches Rechengerät
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
Messsignal
Ausgeber
Messwert
Anzeiger, Schreiber, Zähler
S. 0-28
Aufbau eines Messsystems
Anregung
Amplitude Frequenz
EinflussGrößen Messgröße
Sensorelement =
Betriebsschaltung
analoge Signalvorverarbeitung
Versorgung
Verstärkung
Vorgabe von Betriebsbedingungen
Filter
Spezielle Maasnahmen für den sicheren Betrieb
Signalumformung
Linearisierung
Kompensation
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
A/D-Wandlung
Sensor-Schnittstelle
digitale Signalverarbeitung Berechnung der Messgröße Korrektur von Einflussgrößen
Korrektur von Alterungseffekten Fertigungstoleranzen S. 0-29
Ziele unserer Vorlesung Sensorelement Messsystem Vertiefung der elektrischen Messtechnik
Struktur von Messeinrichtungen Möglichkeiten zum Vermeiden von Störeinflüssen
Verstärkerschaltungen A/D-Umsetzung Analoge und digitale Signalverarbeitung Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-30
Gliederung der Vorlesung 1. Strukturen von Messeinrichtungen 2. Messsignale 3. Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen
4. Analoge Signalverarbeitung 5. Verstärkerschaltungen
6. Analog/Digital-Umsetzer 7. Impedanzspektroskopie
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-31
Literatur • H.-R. Tränkler, E. Obermeier: Sensortechnik, Springer Verlag, Berlin, 1998 • E. Schrüfer: Elektrische Messtechnik, Hanser Verlag • W. G. Webster, J. G. Webster: Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, CRCnetBASE 1999 • S. A. Dyer: Survey of Instrumentation and Measurement, John Wiley & Sons, 2001 • U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-32