MODUL 2: SENSOREN IN DER INDUSTRIELLEN AUTOMATISIERUNG Kapitel I KLASSIFIZIERUNG DER SENSOREN
KAPITEL I KLASSIFIZIERUNG DER SENSOREN 1.1. Sensoren Der Fortschritt in der Informationsbearbeitungstechnik und die schnelle Entwicklung im Bereich der Mikroprozessoren und Computertechnologien haben auch Einfluss auf die Entwicklung der Sensoren ausgeübt. Die Computertechnologien stellen die Basis der modernen Mess‐ und Regelsysteme dar. Da diese Systeme immer höhere Leistungen vollbringen, wächst auch die Rolle der Sensoren wesentlich, die ja für die Informationsaufnahme zuständig sind. Die Sensoren werden zu einem wichtigen Faktor bei der Automatisierung und Robotertechnik und ihre Bedeutung als Bauelemente von Systemen steigt. Ganz allgemein sind die Sensoren Geräte, die physische oder chemische Größen in elektrische Signale umwandeln, welche einfach weiter verarbeitet werden können. Das International Electrotechnical Committee (IEC) definiert einen Sensor als [1]: “Der Sensor ist ein wichtiger Teil der Messkette, der die Eingangsvariable in ein einfach zu messendes Signal umwandelt”. Ein Diagramm eines Sensorsystems ist in Abb. 1.1. dargestellt.
Abb. 1.1 Diagramm eines Sensor‐Systems Normalerweise hat das vom Sensor kommende Signal eine kleine Amplitude und ist mit Störsignalen und Geräuschen durchsetzt. Damit das Signal für eine Weiterverarbeitung optimale Eigenschaften aufweist, wird es durch eine Schaltung wie einen Verstärker, Filter und anderen Analogschaltungen normalisiert. In manchen Fällen befinden sich einige dieser Schaltungen in unmittelbarer Nähe des Sensorelements. Das Analogsignal wird danach in ein Digitalsignal umgewandelt und zum Mikroprozessor weitergeleitet. Die Eigenschaften des Sensorsystems werden in beträchtlichem Ausmaß vom Sensor bestimmt. Er wandelt eine Energieform in eine andere um. Es gibt zwei Hauptarten von Sensoren: aktive und passive. Der aktive Sensor wandelt unmittelbar eine Energieform in eine andere um und benötigt dazu keinen Impuls von außen (Abb. 1.2.,а)
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a
Energy
Modulating Input Signal
Sensor (Modulation of energy)
Electrical signal
b Abb. 1.2 Aktive (a) und passive (b) Sensoren Der passive Sensor kann nicht unmittelbar Energie umwandeln, kontrolliert aber die Energie oder den Impuls, der aus einer anderen Quelle kommt (Abb. 1.2 b). Es gibt bestimmte Anforderungen an Sensoren. Man unterscheidet zwischen Hauptanforderungen, die für alle Sensorarten gültig sind und speziellen Anforderungen, die nur für eine bestimmte Sensorart Gültigkeit hat. Die Hauptanforderungen sind: -
hohe Sensibilität;
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-
Linearität;
-
hohe Genauigkeit;
-
Mangel an Hysterese;
-
Reproduzierbarkeit;
-
hohe Reaktionsgeschwindigkeit;
-
Selektivität;
-
Austauschbarkeit;
-
großer Messbereich;
-
große Bandbreite an Arbeitstemperaturen;
-
Stabilität gegenüber störenden Einflüssen (Lärmbeständigkeit);
-
leichte Korrekturmöglichkeit;
-
hohe Zuverlässigkeit;
-
lange Lebensdauer;
-
Umgebungsbeständigkeit (Hitze, Vibrationen, Wasser, Staub usw.);
-
Sicherheit;
-
niedriger Preis;
-
kleine Abmessungen, niedriges Gewicht und Festigkeit
1.2. Klassifizierungsprinzipien Die Sensoren können vom Gesichtspunkt der Umwandlung (physische oder chemische Effekte), des Zwecks, der Beschaffenheit der Ausgangssignale und der Fertigungsmaterialien und ‐technologien klassifiziert werden. Die Klassifizierung der Sensoren in Abhängigkeit von ihrem Arbeitsprinzip ist in Abb. 1.3 dargestellt. Sensoren werden in physische und chemische Sensoren eingeteilt. Die physischen Sensoren schließen jene Sensoren mit ein, bei denen als Folge physikalischer Effekte wie piezoelektrischer, ionisierender, thermoelektrischer, fotoelektrischer, magnetelektrischer usw. Effekte die Veränderungen der gemessenen Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
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Abb.1.3 Klassifikation von Sensoren basierend auf deren Umwandlungsprinzipien Die chemischen Sensoren schließen jene Sensoren mit ein, bei denen als Folge der chemischen Adsorption, elektrochemischen Reaktionen usw. die Veränderungen der gemessenen Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
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Es gibt Sensoren, die nicht fix dem einen oder dem anderen Typ zugeordnet werden können. Die Funktionsprinzipien der Sensoren und mögliche Anwendungsbereiche werden in Tabelle 1.1 dargestellt. Tabelle 1.1 Anwendungsprinzipien der verwendeten Sensoren Sensortyp
Funktionsprinzip
Gemessene nichtelektrische Größe
Tensoresistor
Änderung des Widerstands
Kraft, Masse, Druck, Beschleunigung, Niveau, Temperatur, Feuchtigkeit, Gas
Kapazitätssensor
Änderung der Kapazität
Kraft, Masse, Druck, Beschleunigung, Niveau, Feuchtigkeit
Induktivsensor
Änderung der Induktivität Kraft, Masse, Druck, Beschleunigung, Anzahl der Drehungen, Drehmoment, Magnetfeld
Sensor von Hall
Hall‐Effekt
Winkel, Anzahl der Drehungen, Kraft, Magnetfeld
Piezoelektrischer Sensor
Piezoelektrischer Effekt
Druck, Kraft, Beschleunigung, Distanz
Pyroelektrischer Sensor
Pyroelektrischer Effekt
Rauch, Feuer, Wärmeverteilung
Optoelektronische Sensoren
Optoelektronische Effekte
Strahlung, Winkel, Anzahl der Drehungen, Verstellung, Drehmoment
Тhermistor (NTC, PTC) Halbleitersensor
Ultraschallsensor
Gemäß ihrer Bestimmung unterteilen sich die Sensoren in:
-
Sensoren für Druck und Kraft;
-
Sensoren für Niveau;
-
Sensoren für Geschwindigkeit;
-
Sensoren für Beschleunigung;
-
Sensoren für Vibrationen;
-
Sensoren für Magnetfeld;
-
Sensoren für Vakuum; 5
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-
Sensoren für Einstellung;
-
Sensoren für Temperatur;
-
Sensoren für radioaktive Strahlungen;
-
Sensoren für Feuchtigkeit;
-
Sensoren für Gase;
-
Biosensoren usw.
In Abhängigkeit vom Typ des Ausgangssignals unterteilen sich die Sensoren in: ‐ Analogsensoren ‐ wandeln die gemessenen nichtelektrischen Größen in analoge elektrische Signale um; ‐ Digitalsensoren ‐ wandeln die gemessenen nichtelektrischen Größen in digitale Ausgangssignale (direkte oder indirekte Umwandlung) um; ‐ Pseudodigitale Sensoren ‐ wandeln die gemessenen Größen in Frequenzen oder Zeitintervalle (direkte oder indirekte Umwandlung) um; ‐ Schlüsselsensoren ‐ reagieren beim Erreichen des Grenzwertes der gemessenen Größe. Vom Gesichtspunkt der benutzten Materialien aus, kann man die Sensoren in Abhängigkeit vom benutzten Material in folgende Gruppen einteilen: -
metallisch;
-
keramisch;
-
polymer;
-
kompositorisch.
Je nach den physischen Eigenschaften des Materials: -
Leitersensoren;
-
Halbleitersensoren;
-
dielektrisch;
-
magnetisch.
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Je nach kristalliner Struktur des Materials: -
kristallin;
-
polykristallin;
-
amorph.
In Abhängigkeit von der Fertigungstechnologie kann man die Sensoren einteilen in: ‐ integrale Sensoren; ‐ dünnschichtige Sensoren; ‐ dickschichtige Sensoren; ‐ keramische Sensoren. 1.3. FRAGEN ZUR SELBSTPRÜFUNG 1. Der aktive (Generatoren‐) Sensor: а) kann Energie nicht unmittelbar umwandeln; b) wandelt unmittelbar eine Form der Energie in eine andere um; c) braucht keine externe Energie‐ oder Erregungsquelle; d) steuert die Energie oder die Erregung, die von einer anderen Quelle kommen. 2. Auf die Hauptforderungen gegenüber der einzelnen Sensoren beziehen sich: а) hohe Empfindlichkeit; b) hoher Fehler; c) Vorhandensein von Hysteresis; d) Wiedergabefähigkeit; e) weiter Messumfang; f) enger Umfang der Arbeitstemperaturen.
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3. Nach dem Funktionierungsprinzip teilen sich die Sensoren in: а) physischen; b) Schlüsselsensoren; c) chemischen; d) Pseudoziffernsensoren. 4. In Abhängigkeit von den physischen Eigenschaften des Materials teilen sich die Sensoren in: а) Leitersensoren; b) Halbleitersensoren; c) Kompositionssensoren; d) dielektrischen; e) Kristallsensoren. 5. In Abhängigkeit der Fertigungstechnologie teilen sich die Sensoren in: а) Integralsensoren; b) Dünnschichtsensoren; c) amorphen Sensoren; d) Dickschichtsensoren.
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