Skip to main content
main-content

2022 | Buch

Ausgewählte Sensorschaltungen

Vom Datenblatt zur Simulation

share
TEILEN
insite
SUCHEN

Über dieses Buch

In diesem Buch werden die Schritte angegeben, mit denen man aus den Datenblättern der Sensor-Hersteller die Modellparameter ermitteln kann, die zu einer Schaltungssimulation benötigt werden. Des Weiteren wird gezeigt, wie dem jeweiligen Sensor die Abhängigkeit von Temperatur, Feuchte, Licht, Druck, Kraft oder Magnetfeld in Gleichungsform aufgeprägt werden kann. Zu Sensorschaltungen wie Bandabstandsquelle, Feuchtesensor, IR-Lichtschranke, DMS-Brücke, piezoelektrischer Summer sowie Anwendungen von US-Wandlern und akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen werden die PSPICE-Analysen ausführlich dokumentiert. Die simulierten Sensorschaltungen können für sich und als Ausgangspunkt zu Labormessungen im Rahmen der Bachelor-Ausbildung genutzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Temperatursensoren
Zusammenfassung
Im Kap. 1 werden die Temperaturabhängigkeit eines Keramik-NTC-Sensors und diejenige von PTC-Sensoren mit Gleichungen beschrieben und über das Programm PSPICE analysiert und dargestellt. Der Widerstand erhält dabei als Argument anstelle eines Festwertes die betreffende, in geschweifte Klammern gesetzte Gleichung. Ausgehend von der jeweiligen, auf Datenblattangaben beruhenden Sensor-Modellierung werden Schaltungen zu Temperaturanzeigen simuliert. Der Temperaturgang eines Si-Ausbreitungswiderstands-Sensors wird rechnerisch abgeschätzt. Ferner erfolgt der Nachweis für eine temperaturunabhängige Spannungsreferenz einer mit zwei npn-Transistoren realisierten Bandabstandsquelle.
Peter Baumann
2. Feuchtesensoren
Zusammenfassung
Die im Kap. 2 betrachteten kapazitiven Feuchtesensoren weisen laut Datenblatt eine weitgehend lineare Zunahme ihrer Kapazität mit ansteigender relativer Feuchte auf. Die entsprechende Gleichung wird der jeweiligen Kapazität aufgeprägt, die dann dem Modell des betreffenden Sensors entspricht. Diese Feuchtesensoren werden als Bestandteile von astabilen Multivibratoren eingesetzt, die auf der Basis von CMOS-Invertern bzw. eines Zeitgeber-Schaltkreises mit PSPICE realisiert werden. Für einen weiten Bereich der relativen Feuchte ergeben sich dabei nur geringe Änderungen der Pulsfrequenzen. Ein wirkungsvoller Nachweis der Feuchte ergibt sich, wenn Feuchtesensoren in eine Kapazitätsbrücke mit angelegter Sinusspannung eingesetzt werden. Ferner wird ein invertierender Verstärker mit einem elektrolytischen Feuchtesensor im Rückkopplungszweig betrachtet.
Peter Baumann
3. Optische Sensoren
Zusammenfassung
Die im Kap. 3 vorgestellten optischen Sensoren umfassen den Fotowiderstand, die Fotodiode und den Fototransistor, aus deren Kombination solche Schaltungen wie der Licht-Spannungswandler, das Photovoltaik-MOSFET-Relais, der RGB-Farbsensor, der Gabelkoppler oder die Reflexlichtschranke wie auch die Infrarot-Lichtschranke hervorgehen. Diese Schaltungen werden mit dem Programm PSPICE, auch mit dem Einbezug gesteuerter Quellen, simuliert. Ausführlich wird die Licht-Spannungswandlung des Fototransistors beschrieben. Gezeigt wird ferner die PSPICE-gestützte Ermittlung der Lichtpunkt-Position an einem eindimensionalen PSD-Bauelement.
Peter Baumann
4. Kraftsensoren
Zusammenfassung
Der im Kap. 4 vorgestellte Folien-Kraftsensor weist eine starke Abnahme seines Widerstandes auf, wenn eine Gewichtskraft auf ihn einwirkt. Auf der Grundlage der Angaben des Datenblatts wird diese Abhängigkeit gleichungsmäßig erfasst und dem Sensorwiderstand aufgeprägt. Die Auswertung der ausgeübten Gewichtskraft erfolgt über einen mit PSPICE simulierten Spannungsfolger. Untersucht werden ferner ein invertierender Verstärker, die Ansteuerung eines Schmitt-Triggers sowie eine Zählschaltung, mit der die Anzahl der von einem Kraftsensor beeinflussten Einschaltimpulse erfasst wird. Abschließend werden eine MOSFET-Ansteuerung, ein Komparator und ein Dreieck-Rechteck-Generator mit Einbezug eines Folien-Kraftsensors und eines piezoelektrischen Summers analysiert.
Peter Baumann
5. Drucksensoren
Zusammenfassung
Im Kap. 5 wird zunächst die Kennlinie eines Konstantan-Dehnungsmessstreifens mit dem Programm PSPICE simuliert. Hierfür werden die Angaben des Datenblatts berücksichtigt. Anschließend erfolgt die Erfassung der Durchbiegung eines Baustahl-Stabes mittel einer DMS-Messbrücke. Zur Verstärkung der Brückenspannung wird ein Instrumentenverstärker eingesetzt. Desweitern wird für die Brückenschaltung eines p-Silizium-Relativdrucksensors die Wirksamkeit einer Temperaturkompensation mit einem NTC-Sensor nachgewiesen. Die simulierte Druckabhängigkeit der Brückenspannung erfüllt die Datenblattangaben.
Peter Baumann
6. Hallsensor
Zusammenfassung
Im Kap. 6 wird für einen GaAs-Hallsensor-Type die Abhängigkeit seiner Hallspannung vom Lastwiderstand mit dem Programm PSPICE simuliert. Die verwendeten Parameter beruhen auf den Angaben des Datenblatts. Ferner wird eine Schaltung angegeben, mit der eine Abstandsmessung mit diesem Sensor simuliert werden kann.
Mit der nicht linearen Abnahme der Leerlauf-Hallspannung wird das zunehmende Abrücken eines Dauermagneten von einem fest angeordneten Hallsensor charakterisiert.
Bei dem vorgestellten Hallschalter gelangt der Ausgang eines Schmitt-Triggers mit einstellbarer Referenzspannung von LOW auf High, sobald durch ein Magnetfeld eine genügend große Hallspannung erzeugt wird.
Peter Baumann
7. Reed-Bauelemente
Zusammenfassung
Im Kap. 7 wird das Reed-Relais dadurch simuliert, dass der Spulenstrom den Eingang einer H-Quelle durchfließt. Mit der über den Parameter GAIN festgelegten Höhe der Ausgangsspannung dieser stromgesteuerten Spannungsquelle wird ein spannungsgesteuerter Schalter S betätigt. In der Anwendung des Reed-Bauelements als Näherungsschalter wird die Wirkung des Magnetfeldes eines beweglichen Permanentmagneten über eine entfernungsabhängige Spannung am Eingang des genannten Schalters S nachgebildet. Die Hysterese wird mit einem Schmitt-Trigger realisiert und die Schaltzustände werden mit einer LED angezeigt.
Peter Baumann
8. Piezoelektrische Summer
Zusammenfassung
Das Kap. 8 befasst sich mit piezoelektrischen Summern für externe Ansteuerung als auch für Selbstansteuerung. Auf der Grundlage des Datenblatts und von ausgeführten Messungen werden die Parameter der PSPICE-Modelle ermittelt. Für selbstansteuernde Summer werden neue, vereinfachte Modelle nach dem Prinzip des Meißner- oder Hartley- Oszillators angegeben. Anschließend werden Simulationen von Anwenderschaltungen mit dem Programm PSPICE vorgenommen. Dazu zählen CMOS-AMV, RC-Phasenschieber sowie Oszillatorschaltungen unter Einbezug eines Kraftsensors, eines Fototransistors oder eines NTC-Sensors.
Peter Baumann
9. Ultraschallwandler
Zusammenfassung
Im Kap. 9 werden die Elemente der Ersatzschaltung von Ultraschallwandlern für die Frequenz von vierzig Kilohertz aus Datenblattangaben bestimmt. In der PSPICE-Simulation von Sender- und Empfängerschaltungen sowie von Ultraschallschranken erfolgt eine Kopplung zwischen Transmitter und Receiver mittels spannungsgesteuerter Spannungsquellen oder über einen linearen Koppelfaktor zu den Induktivitätselementen von Transmitter und Receiver. Eine LED dient als Indikator für die Annäherung des Senders an den Empfänger bzw. der beiden Ultraschallwandler an eine Reflektor-Wand. Ein vom Transmitter ausgesandtes Schwingungspaket führt zu verzögerten und abgeschwächten Impulsen am Receiver.
Peter Baumann
10. Akustische Oberflächenwellen-Bauelemente
Zusammenfassung
In Kap. 10 wird eine Verzögerungsleitung auf Quarz-Substrat als akustisches Oberflächenwellen-Bauelement (AOW) mit einer Verzögerungsleitung auf Lithium-Niobat-Substrat verglichen. Es folgt eine Analyse der Einfüge-Dämpfung eines AOW-Temperatursensors. Bei den AOW-Resonatoren wird die Frequenzabhängigkeit der Streumatrix-Parameter von Ein-Tor- und Zwei-Tor-Bauelementen dargestellt. Den Abschluss bilden Schwingungsanalysen eines Colpitts- und eines Pierce-Oszillators mit einem Ein-Tor-Resonator, der für die Frequenz von 315 MHz ausgelegt ist.
Peter Baumann
11. Chemische Sensoren
Zusammenfassung
Im abschließenden Kap. 11 wird die prinzipielle Anordnung chemischer Sensoren in Verbindung mit einer PSPICE-gerechten Schaltung vorgestellt. Die Simulationen betreffen die Kennlinien von Metalloxid-Gassensoren und Sauerstoffsensoren auf der Basis des jeweiligen Datenblatts. Gezeigt wird, wie der pH-Wert einer Lösung mittels eines ionensensitiven Feldeffekttransistors bestimmt wird. Weitere PSPICE-Analysen werden zum katalytischen Gassensor durchgeführt. Der Wärmeleitungssensor wird in einer Brückenschaltung mit Sensor- und Referenzwiderstand analysiert.
Peter Baumann
Backmatter
Metadaten
Titel
Ausgewählte Sensorschaltungen
verfasst von
Peter Baumann
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-658-35707-8
Print ISBN
978-3-658-35706-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-35707-8