Intelligente Sensorsysteme

Intelligente Sensorsysteme Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik MEASUREMENT AND SENSOR Industrieunternehmen Spanie...
Author: Helmuth Hausler
56 downloads 4 Views 4MB Size
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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

S. 0-7

[email protected] 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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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 xn +

 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

yn +

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

Optimisation of Energy Consumption

S. 0-18

Systeme mit Energy Harvesting Untersuchung

Simulation

Entwurf

Verifikation

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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 %

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

S. 0-19

Vibrationswandler

Wandlereigenschaften:

Bewegte Permanentmagneten Fixierte Elektronik Reibarm durch Magnetlagerung

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

S. 0-22

Nanocomposite Sensors

Prof. Olfa Kanoun Chair for Measurement and Sensor Technology

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun Professur für Mess- und Sensortechnik

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