Sensoren in Wissenschaft und Technik

Frontmatter

Kapitel 1. Sensorsysteme

Zusammenfassung

Um das tägliche Leben mit seinen Aufgaben zu meistern, muss der Mensch die ihn umgebenden Prozesse beeinflussen können, d. h. er muss sie nach seinen Zielen steuern können. Um dies zu ermöglichen, muss der aktuelle Istzustand erfasst, deren Informationen ausgewertet und die Maßnahmen ergriffen werden können, die zur Zielerreichung dienen. Die Elemente, mit denen die Erfassung der Messgrößen der Umwelt möglich ist, sind die Sensoren.

Ekbert Hering

Kapitel 2. Physikalische Effekte zur Sensornutzung

Zusammenfassung

Werden bestimmte Materialien durch Einwirkung von äußeren Kräften oder Drücken verformt, dann entsteht eine elektrische Spannung. Wie Abb. 2.1 zeigt, verschieben die Kraft bzw. der Druck die Ladungen im Inneren des Materials. Die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen fallen nicht mehr zusammen.

Ekbert Hering, Thomas Kubasta, Frank Winkens, Martin Liess, Winfried Vonau, Ulrich Guth, Karl-Ernst Biehl

Kapitel 3. Geometrische Größen

Zusammenfassung

In den folgenden Abschnitten werden Weg- und Abstandsensoren mit verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien vorgestellt. Wegsensoren unterscheiden sich von Abstandsensoren dadurch, dass sie ein positionsgebendes Element besitzen. Dies kann beispielsweise ein Magnet sein, der fest mit dem bewegten Teil verbunden ist und dessen lineare Verschiebung gemessen werden soll.

Albert Feinäugle, Sorin Fericean, Stefan Hubrich, Alexander Forkl, Christopher Herfort, Ernst Halder, Bernhard Hahn, Thomas Burkhardt, Stefan Sester, Stefan Basler, Michael Röbel, Gert Schönfelder, Carsten Giebeler, Jürgen Reichenbach, Thomas Engel

Kapitel 4. Mechanische Messgrößen

Zusammenfassung

Die Masse m ist ein Maß für die Anzahl der Teilchen (z. B. Atome, Moleküle) eines Körpers. Die Massen können wie Mengen addiert werden. Die Maßeinheit der Masse ist ein Kilogramm (kg) und ist durch einen Eichkörper festgelegt.

Ekbert Hering, Gert Schönfelder, Stefan Vinzelberg

Kapitel 5. Zeitbasierte Messgrößen

Zusammenfassung

Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nukleids ¹³³Cs entsprechenden Strahlung. Die Zeit hat als Formelzeichen t und die Einheit Sekunde [s]. Die relative Messunsicherheit beträgt 10⁻¹⁴.

Gert Schönfelder, Gerd Stephan

Kapitel 6. Temperaturmesstechnik

Zusammenfassung

Die thermodynamische Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße und ist eine der sieben Basisgrößen im Internationalen Einheitensystem (SI), auf die sämtliche metrologischen Größen zurückgeführt werden können. Ihre Maßeinheit ist das Kelvin (K). Die Internationale Temperaturskala wurde am 01.01.1990 (ITS-90; ITS: Internationale Temperatur-Skala) verbindlich eingeführt und stellt die Grundlage für alle Kalibrierungen von Temperaturmessgeräten dar. Die Festlegung der Fixpunkte erfolgt auf der Grundlage bekannter Zusammenhänge des Druck-Temperatur-Diagramms für Stoffe, die in den drei Aggregatzuständen: gasförmig, flüssig und fest auftreten und sich durch die Existenz eines Tripelpunktes auszeichnen. Die definierten Fixpunkte stellen thermodynamische Gleichgewichtszustände zwischen den drei möglichen Aggregatzuständen dar. Die Erstarrungspunkte sind dabei immer für einen Druck von 101,325 kPa festgelegt. Im Tripelpunkt verbinden sich die Schmelzdruckkurve mit der Dampfdruck- und Sublimationskurve. Die gasförmige, flüssige und feste Phase eines Stoffes können am Tripelpunkt gleichzeitig existieren.

Martin Liess, Ekbert Hering, Lothar Michalowsky

Kapitel 7. Elektrische und magnetische Messgrößen

Zusammenfassung

Die Spannung U ist ein Maß für die hineingesteckte Ladungstrennungsarbeit W je Ladung Q. Es gilt.

Gert Schönfelder, Andreas Wilde

Kapitel 8. Radio- und fotometrische Größen

Zusammenfassung

In der Radiometrie werden strahlungsphysikalische Größen gemessen. Sie sind objektiv gemessene physikalische Effekte und werden mit dem Index „e“ (energetisch) versehen. Bewertet das Auge die Strahlung, dann entstehen fotometrische oder lichttechnische Größen, die mit dem Index „v“ (visuell) gekennzeichnet werden.

Ekbert Hering, Gert Schönfelder

Kapitel 9. Akustische Messgrößen

Zusammenfassung

In der Akustik werden das Auftreten, die Eigenschaften und das Messen von Longitudinalwellen (örtliche Verdichtungen und Verdünnungen schwingender Partikel) in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern beschrieben. Von besonderer Bedeutung sind die Ausbreitung des Schalls in Luft und die menschliche Schallempfindung. Man unterscheidet je nach Amplitude und Frequenzverlauf: Ton: eine einzige Schallfrequenz und eine sinusförmige Amplitude; Geräusch: eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen und stark schwankender Amplitudenverläufe; Knall: sehr viele Frequenzen bei nahezu konstantem Amplitudenverlauf.

Ekbert Hering

Kapitel 10. Klimatische und meteorologische Messgrößen

Zusammenfassung

Die Luftfeuchtigkeit, oder kurz Luftfeuchte, bezeichnet den Anteil des Wasserdampfes am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen.

Robert Krah, Roland Wernecke, Gert Schönfelder, Gerd Stephan

Kapitel 11. Ausgewählte chemische Messgrößen

Zusammenfassung

Zur Beschreibung des Redoxpotenzials geht die bereits im Abschn. 2.16 eingeführte Nernst-Gleichung in eine ihrer Spezialformen, die Peters-Gleichung über, welche die Reduktions- bzw. Oxidationskraft eines Redoxsystems quantitativ beschreibt.

Winfried Vonau

Kapitel 12. Biologische und medizinische Sensoren

Zusammenfassung

Ein Biosensor ist ein komplexer Messfühler, der sich biologische oder biochemische Effekte zu Nutze macht und in ein messbares Sensorsignal umwandelt. Hierbei ist die biologisch aktive Komponente (z. B. Enzym, Antikörper, Oligonukleotid, Mikroorganismus, biologische Rezeptoren) direkt mit einem Signalumwandler (Transducer) verbunden oder in diesem integriert. Ziel ist es, ein elektronisches Signal zu generieren, welches proportional zur Konzentration einer spezifischen Substanz oder einer Reihe von Substanzen (Analyten) ist.

Elfriede Simon

Kapitel 13. Messgrößen für ionisierende Strahlung

Zusammenfassung

Der Mensch ist von sehr vielen Arten von Strahlung umgeben. Es seien hier nur die Sonneneinstrahlung, also das Licht, die Wärmestrahlung eines Heizkörpers, die Strahlung eines Mikrowellengerätes oder die kosmische Strahlung aus den Tiefen des Universums erwähnt. Damit gehört Strahlung zu unserer Umwelt; sie kann auf natürliche Art und Weise entstehen oder mit technischen Geräten erzeugt werden.

Hartmut Bärwolff

Kapitel 14. Fotoelektrische Sensoren

Zusammenfassung

Unter Strahlung versteht man einerseits Materiestrahlung, also z. B. Alpha-, Beta-, Protonen- und Neutronenstrahlung und andererseits elektromagnetische Strahlung. Materiestrahlung wird im Allgemeinen indirekt nachgewiesen, also z. B. mittels eines Szintillators in Licht ungewandelt und dann als elektromagnetische Strahlung nachgewiesen. Daneben gibt es noch den Nachweis über die ionisierende Wirkung mithilfe eines Geiger-Müller-Zählrohrs.

Martin Liess, Gert Schönfelder, Ekbert Hering

Kapitel 15. Signalaufbereitung und Kalibrierung

Zusammenfassung

Sensoren wandeln die zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal um. Dabei sind drei Punkte zu beachten.

Gert Schönfelder

Kapitel 16. Interface

Zusammenfassung

Um die Messwerte der Transmitter zur Auswerteeinheit zu übertragen, werden standardisierte Interfaces verwendet. Diese erlauben dem Anwender eine einfache Anschaltung von Transmittern unterschiedlichster Hersteller. Die Möglichkeiten bei der analogen Signalübertragung basieren dabei auf wenigen physikalischen Größen.

Gert Schönfelder

Kapitel 17. Sicherheitsaspekte bei Sensoren

Zusammenfassung

Die Dezentralisierung der Datenverarbeitung erfordert die Übertragung und Erhöhung der Intelligenz auf der untersten Ebene, der Sensoren- und Aktuator-Ebene. Dies setzt zusätzliche Funktionen zur Parametrierung und Diagnose der Systeme von zentraler Stelle voraus.

Sorin Fericean, Gert Schönfelder

Kapitel 18. Messfehler, Messgenauigkeit und Messparameter

Zusammefassung

Die Messung von physikalischen, chemischen und biologischen Größen durch Sensoren unterliegen Abweichungen. Die Abweichung d ist die Differenz zwischen einem Messwert x_i und einem wahren Wert x₀. Diese Abweichung stellt einen Fehler dar. Es gilt.

Gert Schönfelder

Kapitel 19. Sensoren unter low power-Bedingungen

Zusammenfassung

Der Einsatz und die Bedeutung von Sensoren nimmt in technischen Anwendungen ständig zu. In diesen Fällen spricht man von „Internet of Things“ (IoT). Damit wird auch eine umfassende Vernetzung von Sensoren beschrieben sowie eine komplexe Software-Welt, welche die vorhandene Sensorik zu aussagefähigen Informationsstrukturen verbindet.

Gert Schönfelder

Backmatter