KAPITEL I KLASSIFIZIERUNG DER SENSOREN

MODUL 2: SENSOREN IN DER INDUSTRIELLEN AUTOMATISIERUNG  Kapitel I KLASSIFIZIERUNG DER SENSOREN      KAPITEL I KLASSIFIZIERUNG DER SENSOREN    1.1. Se...
Author: Edith Eberhardt
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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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