1. Grundlagen Flashcards
Welche Messgrößen gibt es?
- Mechanische (Drehung, Beschleunigung, Drehrate, Schall, Druck, Geschwindigkeit, Durchfluss, Föllstand und Position
- Chemische (ph-Wert, Luftfeuchte, Zusammensetzung von Materialien)
- Strahlungsmessgrößen (Licht sichtbar und IR, UV)
Skizzieren Sie auch ein Diagramm mit dem Druck als x-Achse und der Temperatur als y-Achse.
Zeichen Sie vier mögliche Kalibrierpunkte ein. Welche Bedingung müssen die vier Kalibierpunkte
erfüllen, damit eine Kalibrierung mathematisch möglich ist? Welche Anordnung der Kalibrierpunkte
ist günstig?
A(T) und O(T) einsetzen in p = A · p r + O.
Mit dieser Formel dann für vier Kalibrierpunkte (p ei , T i ) mit i=1 bis 4 messen was der Sensor liefert (p r1
bis p r4 ). Diese vier Gleichungen dann in Vektor-Matrix Darstellung schreiben.
Die formale Antwort auf die Frage, wann eine Kalibrierung möglich ist, ist einfach: Die Matrix muss
invertierbar sein, also die Determinante ≠ 0. Was das aber anschaulich für die Anordnung der
Kalibrierpunkte bedeutet ist mir nicht klar. Ich vermute, das nicht 3 oder 4 Punkte auf einer Linie
liegen sollten. Hat jemand eine Idee ob und wie sich das aus der Bedingung Determinante ≠ 0 Welche Anordnung ist günstig? Bei einem Sensor mit sehr guter linearer Abhängigkeit von p und T
sollten die Kalibierpunkte möglichst weit außen liegen, also:
p am Messbereichsanfang und am Messbereichsende,
T bei der minimalen und der maximalen Einsatztemperatur.
Bei einem Sensor mit nichtlinearen Verhalten könne diese Vorgehen aber zu maximalen
Messabweichungen im Einsatzbereich in der Mitte führen. Günstiger wären dann Kalibierpunkte
näher an den typischen Einsatzbedingungen.
Warum gibt es verschiedene Sensoren?
- Messbereiche
- unterschiedliche Anforderungen
- verschiedene Wirkprinzipien
Welche Wirkprinzipien gibt es?
Änderung
- einer Kapazität
- des Widerstandes eines metallischen Leiters bei Dehnung
- des Widerstandes eines dotierten Halbleiters bei Dehnung
- piezoelektrische Effekt
- Hall-Effekt, der magnetoresistive Effekt, der
anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) und der Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt)
- induktiven Sensoren
- innere Photoeffekt
-thermoelektrische Effekt
- Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der
Temperatur
Wichtigsten Trends in der Sensorik?
- Kostenreduktion
- Miniaturisierung durch Mikro Elektro Mechanische Systeme (MEMS)
- Integration der Sensorelektronik
- Verbesserung der Messgenauigkeit
- Erhöhung der Zuverlässigkeit
- Verbesserung der Stabilität bei harten Betriebsbedingungen
- Kombination mehrerer Sensoren
- Mehr Pixel
- Drahtlose Sensoren
Beschreibe eine Messkette
Messgröße -> Sensorelement ( Messprinzip, Wirkprinzip) -> el. Messignal -> Auswerteelektronik -> Signalverarbeitung + Schnittstelle -> Sensorausgangssignal
Stellen Sie die Wandlerkette für den abgebildeten Gasflusssensor dar. Der Gasflusssensor misst die
Geschwindigkeit einer Gasströmung über die Temperaturänderung eines beheizten
Widerstandsmäanders.
Strömung ->
Wärmeverlust Oberflächen Mäander ->
Temperatur ->
Temp.abh. el. Widerstand des Mäanders ->
Widerstand ->
Spannungsteiler oder Wheatstone-Brücke ->
El. Spannung
Bestimmen Sie für den Pt100-Temperatursensor mit der abgebildeten Kennlinie x 0 , y 0 , ε, Δx und Δy.
Mit welcher Funktion können Sie aus einem gemessenen Widerstand die Temperatur berechnen?
x 0 =0°C, Y 0 =100 Ω,
R = 100 Ω + T * 275 Ω / 800 °C
T= (R - 100 Ω) * (800 °C / 275 Ω)
Leicht nichtlinear. Eine quadratische Kalibrierfunktion wäre genauer.
Welche Messfehler gibt es?
- Systematische Fehler
- Zufällige (statistische) Fehler
Wie werden Sensoren kalibriert?
Eine Messung -> Nullpunktfehler
zwei Messungen -> Steigungsfehler
drei Messungen -> quadratischer Anteil des Linearitätsfehlers
Was sind Querempfindlichkeiten?
Sensor reagiert nicht nur auf Messgröße
Wie kann die Querempfindlichkeit gesenkt werden?
- Design
- Konstant halten der Fehlerquelle
- Messen und rechnerisch kompensieren
Reproduzierbarkeit?
keine/kleine Hysterese
Wie kann die Messunsicherheit bestimmt werden?
- Berechnung des Mittelwertes der Messwerte:
- Berechnung der Standardabweichung:
- Berechnung des mittleren Fehlers des Mittelwertes:
- Korrektion bekannter systematischer Fehler:
- Bestimmung des systematischen Fehlers:
(Faktor 1/3 bei Rechteckverteilung) - Zusammenfassung der Fehler:
- Angabe des Ergebnisses:
Ansprechverhalten?
Sensor liefert nicht sofort den richtigen Messwert (aufwärmen etc.)
Welche Anforderungen an Sensoren gibt es?
Messgröße Messbereich Grenzlast Absolute Genauigkeit oder relative Genauigkeit Auflösung Erlaubter Einfluss von Störgrößen Erlaubte Drift oder Alterung Temperaturbereich für Einsatz und Lagerung Dynamische Eigenschaften: Ansprechzeit Elektrische Schnittstelle Anforderungen an die Zuverlässigkeit Preis Größe Layout der Anschlüsse bzw. Stecker Umgebungsbedingungen
Beschreibe die IP Schutzart
Erste Kennziffer Eindrinung Festkörper
0 -> 6 alles berührt bis kein Staub eindringen
zweite Ziffer Eindrinung Wasser
0 -> 8 Immer eindringen bis dauerhaftes Untertauchen
Zuverlässigkeit
Badewannenkurve
Frühausfälle
konstante Ausfallrate
späte Ausfälle
Gehäusetechnologien
- Geschlossen
- offene Kavitäten
- optischen Fenster
Überlege was für Kosten ein Sensor hat
Gehäuse
- Gehäusung extern zum Preis von 0,25 € pro Stück
Messung und Kalibrierung
- Preis pro Automat: 180.000 €
- Dauer pro Kalibrierung: 60 s
- Downtime: 10%
- Personalkosten pro Stunde: 40 € (für 1 bis max. 5 Kalibrierautomaten)
Fixe Kosten
- Masken für ASIC: 180.000 €
- Entwicklung: 250.000 €
- Projektbetreuung: 1,5 Ingenieure: 120.000 € / Jahr
- Overhead für Geschäftsführung, Personalabteilung, Mieten, Vertrieb usw.: 300.000 € / Jahr
Was bedeutet MEMS?
Micro-Electro-Mechanical-Systems
Welche Technologien zur Herstellung von MEMS werden genannt?
Bulk-Mikromechanik und Oberflächenmikromechanik
Welches Verfahren wurde im Praktikum verwendet?
Dickschichttechnik:
Substrat (z.B. Widerstandspaste) wird mittels Siebdruck auf das Trägermaterial aufgebracht.
Beispiele für Anwendungen von MEMS außerhalb der Sensorik?
Druckköpfe für Tintenstrahldrucker, Digital Micromirror Devices für Beamer,…
Bei einem Laptop soll festgestellt werden ob er offen oder zugeklappt ist. Welche Möglichkeiten gibt es das zu bestimmen? Was sind die Vor-uns Nachteile der verschiedenen Lösungsmöglichkeiten? Welche wählen Sie?
- Permanentmagnet im Deckel, Magnetfeldsensor im Gehäuse
- Schalter neben Tastatur (Nachteile:Kraft auf Schalter nötig, Verschleiß, Verschmutzung, Design)
- Kamera verwenden, wenn Dunkel ist Rechner zu. (Vorteil: kein zusätzlicher Sensor nötig. Nachteil: Meldet Zustand „zu“ wenn Dunkel oder Kamera abgeklebt)
- -> magnetischen Sensor: Sicher, zuverlässig, funktioniert auch wenn Rechner nicht komplett zugeklappt ist und kostengünstig, da Magnetsensor einfach auf die Systemleiterplatte gesetzt werden kann
Warum werden MEMS Inertialsensoren hybrid aufgebaut und nicht Sensor und ASIC monolithisch integriert?
+ Kombination mehrerer Sensoren: Querempfindlichkeiten schon auf der Ebene des Sensorbauelements kompensiert
Nachteile Monolithische Integration:
- Entwicklung deutlich aufwendiger
- Herstellung komplizierter
- Geringere Ausbeute
- Höhere Kosten für das Frontend
