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2015 | Buch

Temperatursensoren Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Ausgewählte Sensorschaltungen

Vom Datenblatt zur Simulation

verfasst von: Peter Baumann

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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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 aufge-prägt werden kann. Zu Sensorschaltungen wie Bandabstandsquelle, Feuchtesensor, RGB-Farbsensor, Reflexlichtschranke oder DMS-Brücke auf einem Baustahl-Biegestab werden die PSPICE-Analysen ausführlich dokumentiert. Die simulierten Sensorschaltungen können für sich und als Ausgangspunkt zu Messungen im Rahmen der Bachelor-Ausbildung genutzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Temperatursensoren
Zusammenfassung
Den Temperaturgang des NTC-Widerstandes beschreibt Gl. 1.1.
$$ R _{\text{T}}= R_{\text{N}} \cdot \exp \left[ B \cdot \left( \frac{1}{T}- \frac{1 }{T _{\text{N} }} \right) \right]$$
(1.1)
Dabei ist R N der Nennwiderstand bei der Temperatur T N und B eine Materialkonstante in der Einheit von Kelvin.
R N = 10 kΩ bei T N = 298 K, B = 3474 K.
Das Diagramm R T = f(T) mit T in Kelvin ist über Plot, Axis Settings, Axis variable, T-273 umzuformen, um auf der Abszisse die Temperaturangabe in Grad Celsius zu erhalten.
Peter Baumann
2. Feuchtesensoren
Zusammenfassung
Mit der Feuchte wird die in der Luft enthaltene Wasserdampfkonzentration erfasst. Dabei entspricht die absolute Feuchte F a in der Einheit g/m3 dem Quotienten aus der Masse m w des Wasserdampfes zum Volumen V L der Luft. Die maximal lösliche, temperaturabhängige Feuchte ist die Sättigungsfeuchte F s. Aus diesen beiden Größen geht die relative Feuchte mit F r = F a/F s hervor. Die relative Feuchte liegt zwischen 0 und 100 %.
Peter Baumann
3. Optische Sensoren
Zusammenfassung
R 10 = 18,4 kΩ bei E v = 10 lx, R 100 = 3,8 kΩ bei E v = 100 lx, U max = 200 V, P max = 75 mW.
Die Widerstandsabnahme bei zunehmenden Beleuchtungsstärken E v beschreibt Gl. 3.1.
$$ \frac{{R} _{10 }}{{R} _{100 }}= \left( \frac{{E} _{{\text{v}} 100 }}{{E} _{{\text{v}} 10 }} \right)^{\Upsilon }$$
(3.1)
Hieraus folgt der Exponent ϓ mit Gl. 3.2.
$$ \Upsilon = \frac{\lg \left( {R} _{10 }/{R} _{100 } \right)}{\lg \left( {E} _{{\text{v}} 100 }/{E} _{{\text{v}} 10 } \right)}$$
(3.2)
Für den Sensor A 1060-12 erhält man Υ 10 / 100  = 0,685. Im Bereich E v = 10 lx bis 1 klx gilt näherungsweise die Gl. 3.3 für den Fotowiderstand R p.
$$ R _{\text{p}}\approx R _{10 } \cdot \left( \frac{E _{\text{v}}}{E _{\text{v} 10 }} \right)^{- \Upsilon }$$
(3.3)
Peter Baumann
4. Kraftsensoren
Zusammenfassung
Erteilt eine Kraft F einem Körper mit der Masse m = 1 kg eine Beschleunigung a = 1 m/s2, dann hat sie die Größe von 1 Newton, 1 N = 1kgm/s2. Es ist gemäß Gl. 4.1:
$$ F = m \cdot a . $$
(4.1)
Für die Gewichtskraft F G gilt nach Gl. 4.2 speziell:
$$ F _{\text{G}}= m \cdot g $$
(4.2)
mit der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2.
Beispiel: Fällt ein Körper mit der Masse m = 100 g (100 Gramm) zur Erde, dann wirkt eine Gewichtskraft F G = m · g = 100 g · 9,81 m/s2 = 0,981 N.
R > 1 MΩ (unbelastet), I max = 1 mA, U = 1 bis 5 V, P totmax = 1 mW, TK R = −0,8 %/K, mechanische Ansprechzeit < 2 ms, elektrische Ansprechzeit = 0,1 bis 10 ms, Lebensdauer > 10 · 106 Schaltzyklen, maximale relative Feuchte: 85 %.
Peter Baumann
5. Drucksensoren
Zusammenfassung
Wird ein Leiter gedehnt, dann wird er länger und dünner, womit sein Widerstand steigt. Die relative Widerstandsänderung dR/R des DMS beschreibt Gl. 5.1.
$$ \frac{\mathrm{d} R }{R }= k \cdot \frac{\mathrm{d} l }{l }= k \cdot \varepsilon $$
(5.1)
mit dem Nennwiderstand R, der Dehnung ε, dem Faktor zur Dehnungsempfindlichkeit k und der relativen Längenänderung dl/l.
L: Linearstreifen, LY: Hinweis auf ein Messgitter aus Konstantan (60 % Cu, 40 % Ni). Der Faktor für Konstantan ist k ≈ 2. Temperaturkoeffizient: TKk ≈ (115 ± 10) · 10−6 1/K [1].
LY11: angepasst an die Wärmeausdehnung von Stahl mit dessen TKStahl = 10,8 · 10−6 1/K.
LY11-6: DMS mit der Messgitterlänge a = 6 mm, siehe Abb. 5.1.
LY11-6/120: bedeutet R = 120 Ω. Maximale Brückenspannung für diesen DMS: U B = 8 V.
ε = −2,5 · 10−3 bis 2,5 · 10−3 nach [2].
Peter Baumann
6. Hallsensor
Zusammenfassung
Der Hall-Effekt besagt: wird ein stromdurchflossenes Halbleiter-Plättchen (GaAs, InAs) senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt, dann werden die Ladungsträger aus ihrer waagerechten Bahn abgelenkt, womit an den Seitenflächen eine Hallspannung U 2 auftritt, siehe Abb. 6.1.
Bei unbelastetem Ausgang mit I 2 = 0 erscheint die Leerlauf-Hallspannung U 20 nach Gl. 6.1 zu:
$$ U _{20 }= K _{\text{B0}} \cdot B \cdot I _{1 } . $$
(6.1)
mit der Leerlaufempfindlichkeit K B0 in V/(A · T), der magnetischen Induktion (Flussdichte) B in T (Tesla) und dem Eingangs-Steuerstrom I 1 in mA. Hinweis: 1 Tesla = 1 T = 1 Vs/m2. Wirkt das Magnetfeld nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel α, dann gilt Gl. 6.2 mit:
$$ U _{20 }= K _{\text{B0}} \cdot B \cdot I _{1 } \cdot \cos \alpha . $$
(6.2)
Peter Baumann
Backmatter
Metadaten
Titel
Ausgewählte Sensorschaltungen
verfasst von
Peter Baumann
Copyright-Jahr
2015
Electronic ISBN
978-3-658-08558-2
Print ISBN
978-3-658-08557-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-08558-2

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