Sensoren in Wissenschaft und Technik - Funktionsweise und Einsatzgebiete

Vorwort

Herausgeber und Autoren

Inhaltsverzeichnis

1 Sensorsysteme

1.1 Definition und Wirkungsweise

1.2 Einteilung

2 Physikalische Effekte zur Sensornutzung

2.1 Piezoelektrischer Effekt

2.1.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.1.2 Materialien

2.1.3 Anwendungen

2.2 Resistiver und piezoresistiver Effekt

2.2.1 Funktionsprinzipien und physikalische Beschreibung

2.2.2 Resistiver Effekt und dessen Anwendung durch Dehnmess-Streifen (DMS)

2.2.3 Piezoresistiver Effekt und dessen Anwendung durch Silicium-Halbleiter-Elemente

2.3 Magnetoresistiver Effekt

2.3.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.3.2 Vorteile der XMR-Technologie

2.3.3 Anwendungen der XMR-Technologie

2.4 Magnetostriktiver Effekt

2.4.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.4.2 Vorteile der magnetostriktiven Sensor-Technologie

2.4.3 Anwendungen der magnetostriktiven Sensor-Technologie

2.5 Effekte der Induktion

2.5.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.5.2 Vorteile der induktiven Sensor-Technologie

2.5.3 Anwendungen der induktiven Sensor-Technologie

2.6 Effekte der Kapazität

2.6.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.6.1.1 Kondensator und Kapazität

2.6.1.2 Kapazität im Wechselstromkreis

2.6.2 Vorteile der kapazitiven Sensor-Technologie

2.5.3 Anwendungen der kapazitiven Sensor-Technologie

2.7 Gauß-Effekt

2.7.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.7.2 Anwendung des Gauß-Effektes

2.8 Hall-Effekt

2.8.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.8.2 Anwendung des Hall-Effektes

2.9 Wirbelstrom-Effekt

2.9.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.9.2 Anwendung des Wirbelstrom-Effektes

2.10 Thermoelektrischer Effekt

2.11 Thermowiderstands-Effekt

2.11.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.11.2 Vorteile der Sensorik mit dem Thermowiderstands-Effekt

2.11.3 Einsatzgebiete

2.12 Temperatureffekte bei Halbleitern

2.12.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.12.2 Kaltleiter (PTC-Widerstände)

2.12.3 Heißleiter (NTC-Widerstände)

2.13 Pyroelektrischer Effekt

2.13.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.13.2 Materialien

2.13.3 Anwendungen

2.14 Fotoelektrischer Effekt

2.14.1 Funktionsprinzipien und physikalische Beschreibung

2.14.2 Fotoelektrische Sensorelemente

2.14.3 Fotoelektrische Sensorelemente

2.15 Elektrooptischer Effekt

2.15.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.15.2 Materialien

2.15.3 Anwendungen

2.16 Elektrochemische Effekte

2.16.1 Funktionsprinzip und Klassifizierung

2.16.2 Potenziometrische Sensoren

2.16.3 Amperometrische Sensoren

2.16.4 Konduktometrische und impedimetrische Sensoren

2.16.5 Anwendungsbereiche

2.17 Chemische Effekte

2.17.1 Physikalisch-chemische Wechselwirkungen von Gasen mit Oberflächen

2.17.2 Gaslöslichkeit (Absorption)

2.17.3 Gastransport zur Festkörperoberfläche

2.17.4 Adsorption und Chemisorption

2.17.5 Reaktionen mit adsorbierten Spezies

2.17.6 Reaktion des Gases mit dem Festkörper

2.17.7 Die Mischphasenfehlordnung

2.18 Akustische Effekte

2.18.1 Definition und Einteilung des Schalls

2.18.2 Charakterisierung akustischer Wellen

2.18.3 Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen

2.18.4 Intensität oder Schallstärke

2.18.5 Absorption von Schall in Luft

2.18.6 Reflektion und Transmission

2.19 Optische Effekte

2.19.1 Physikalische Effekte

2.19.2 Aufbau optischer Sensoren

2.19.3 Kategorien optischer Sensoren

2.19.4 Anwendungsfelder optischer Sensoren

2.20 Doppler-Effekt

2.20.1 Funktionsprinzip und physikalische Beschreibung

2.20.2 Anwendungsbereiche

Weiterführende Literatur

3 Geometrische Größen

3.1 Wegund Abstandsensoren

3.1.1 Induktive Abstandsund Wegsensoren

3.1.1.1 Funktionsprinzip und morphologische Beschreibung der Induktivsensoren

3.1.1.2 Berührungslose induktive Abstandssensoren (INS)

3.1.1.3 Berührungslose induktive Wegsensoren (IWS)

3.1.1.4 Differenzialtransformatoren mit verschiebbarem Kern (LVDT)

3.1.1.5 Gepulster induktiver Linear-Positionssensor (Micropulse BIW)

3.1.1.6 Signalverarbeitung durch Phasenmessung (Sagentia)

3.1.1.7 PLCD-Wegsensoren (Permanent Linear Contactless Displacement Sensor)

3.1.1.8 Berührungslose magnetoinduktive Wegsensoren (smartsens-BIL)

3.1.2 Optoelektronische Abstandsund Wegsensoren

3.1.2.1 Übersicht

3.1.2.2 Optoelektronische Bauteile

3.1.2.3 Optische Grundlagen von Abstandssensoren

3.1.2.4 Messprinzip: Triangulation

3.1.2.5 Messprinzip: Pulslaufzeitverfahren

3.1.2.6 Messprinzip: Phasenoder Frequenzlaufzeitverfahren

3.1.2.7 Messprinzip: Fotoelektrische Abtastung

3.1.2.8 Messprinzip: Interferometrische Längenmessung

3.1.3 Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung und Objekterkennung

3.1.3.1 Funktionsprinzipien und Aufbau

3.1.3.2 Aufbau des Ultraschallwandlers

3.1.3.3 Erfassungsbereich eines Ultraschallsensors

3.1.3.4 Umlenkung des Ultraschalls

3.1.3.5 Objektund Umwelteinflüsse

3.1.3.6 Anwendungen

3.1.4 Potenziometrische Wegund Winkelsensoren

3.1.4.1 Einleitung

3.1.4.2 Funktionsprinzip und Kenngrößen von potenziometrischen Sensoren

3.1.4.3 Technologie und Aufbautechnik

3.1.4.4 Produkte und Applikationen

3.1.5 Magnetostriktive Wegsensoren

3.1.5.1 Wirkprinzip und Aufbau magnetostriktiver Wegsensoren

3.1.5.2 Gehäusekonzepte und Anwendungen

3.1.6 Wegsensoren mit magnetisch codierter Maßverkörperung

3.1.6.1 Messprinzip

3.1.6.2 Aufbau und Funktionsweise inkrementeller und absoluter Mess-Systeme

3.1.6.3 Kennwerte

3.1.6.4 Sensortypen im Vergleich

3.1.6.5 Anwendungsbeispiele

3.2 Sensoren für Winkel und Drehbewegung

3.2.1 Optische Drehgeber

3.2.1.1 Physikalische Prinzipien

3.2.1.2 Aufbau optischer Drehgeber

3.2.1.3 Besondere Eigenschaften optischer Drehgeber

3.2.2 Magnetisch codierter Drehgeber

3.2.3 Umdrehungszählende Winkelsensoren

3.2.3.1 Allgemeines Funktionsprinzip und morphologische Beschreibung von Umdrehungen zählenden Winkelsensoren

3.2.3.2 Getriebebasierende Umdrehungszählverfahren

3.2.3.3 Umdrehungszählverfahren auf induktiver Basis

3.2.3.4 Batteriepufferung der Umdrehungsinformation

3.2.3.5 Neuartiges GMR-System zur Detektion und Speicherung von Umdrehungsinformation

3.2.4 Kapazitive Drehgeber

3.2.5 Variable Transformatoren, Resolver

3.2.5.1 Allgemeines Funktionsprinzip des VT

3.2.5.2 Signifikante Varianten von VT

3.2.5.3 Resolver, eine repräsentative Variante von VT

3.2.6 1Vpp oder sin/cos-Schnittstelle

3.2.7 Inkrementelle Geber

3.3 Neigung

3.3.1 Magnetoresistive Neigungssensoren

3.3.2 Kompass-Sensoren

3.3.3 Elektrolytische Sensoren

3.3.4 Piezoresistive Neigungssensoren/DMS-Biegebalkensensoren

3.3.5 MEMS

3.3.6 Servoinclinometer

3.3.7 Übersicht und Auswahl von Neigungssensoren

3.4 Sensoren zur Objekterfassung

3.4.1 Näherungsschalter

3.4.2 Objekterkennung und Abstandsmessung mit Ultraschall

3.4.3 Objekterkennung mit Radar

3.4.4 Pyroelektrische Sensoren für die Bewegungs und Praesenzdetektion

3.4.5 Objekterkennung mit Laserscanner

3.4.6 Sensoren zur automatischen Identifikation (Auto-Ident)

3.4.6.1 Übersicht

3.4.6.2 Barcodescanner

3.4.6.3 Auto-Ident-Kameras

3.4.6.4 RFID-Systeme und Lesegeräte

3.5 Dreidimensionale Messmethoden (3D-Messung)

3.5.1 Tastende 3D-Messmethoden

3.5.2 Optisch tastende 3D-Messmethoden

3.5.3 Bildgebende 3D-Messmethoden

3.5.4 Übersicht zu 3D-Messmethoden

Weiterführende Literatur

4 Mechanische Messgrößen

4.1 Masse

4.1.1 Definition

4.1.2 Anwendungen

4.2 Kraft

4.2.1 Definition

4.2.2 Effekte für die Anwendungen

4.2.3 Anwendungsbereiche

4.3 Dehnung

4.3.1 Definition

4.3.2 Messung der Dehnung

4.4 Druck

4.4.1 Definition

4.4.2 Messprinzipien

4.4.3 Messanordnungen

4.5 Drehmoment

4.5.1 Definition

4.5.2 Messprinzipien

4.5.3 Anwendungsbereiche

4.6 Härte

4.6.1 Definition

4.6.2 Makroskopische Härtebestimmung

4.6.3 Härtebestimmung durch Nanoindentation

4.6.4 Sensoren für die Nano-Härtemessung

4.6.5 Modell und Auswertung

4.6.6 Anwendungen

Weiterführende Literatur

5 Zeitbasierte Messgrößen

5.1 Zeit

5.2 Frequenz

5.3 Pulsbreite

5.4 Phase, Laufzeit und Lichtlaufzeit

5.5 Visuelle Darstellung von Messgrößen

5.6 Drehzahl und Drehwinkel

5.7 Geschwindigkeit

5.8 Beschleunigung

5.9 Durchfluss (Masse und Volumen)

Weiterführende Literatur

6 Temperaturmesstechnik

6.1 Temperatur als physikalische Zustandsgröße

6.2 Messprinzipien und Messbereiche

6.3 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes

6.3.1 Metalle

6.3.2 Metalle mit definierten Zusätzen (Legierungen) oder Gitterfehlern

6.3.3 Ionenleitwerkstoffe für hohe Temperaturen

6.3.4 Thermistoren

6.3.5 Engewiderstand-Temperatur-Sensoren (Spreading Resistor)

6.3.6 Dioden

6.4 Thermoelektrizität (Seebeck-Effekt)

6.5 Wärmeausdehnung

6.5.1 Wärmeausdehnung fester Körper

6.5.2 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

6.5.3 Wärmeausdehnung von Gasen

6.6 Temperatur und Frequenz

6.7 Thermochromie

6.8 Segerkegel

6.9 Berührungslose optische Temperaturmessung

6.9.1 Strahlungsthermometer (Pyrometer)

6.9.2 Faseroptische Anwendungen

6.9.2.1 Intrinsische Sensoren, DTS (Distributed Temperature Sensing)

6.9.2.2 Extrinsische Sensoren

Weiterführende Literatur

7 Elektrische und magnetische Messgrößen

7.1 Spannung

7.1.1 Definition

7.1.2 Messanordnungen

7.2 Stromstärke

7.2.1 Definition

7.2.2 Messanordnungen

7.3 Elektrische Ladung und Kapazität

7.3.1 Definition

7.3.2 Messanordnungen

7.4 Elektrische Leitfähigkeit und spezifischer elektrischer Widerstand

7.4.1 Definition

7.4.2 Messanordnungen

7.5 Elektrische Feldstärke

7.5.1 Definition

7.5.2 Messprinzipien für die elektrische Feldstärke

7.6 Elektrische Energie und Leistung

7.6.1 Definitionen

7.6.2 Formen von Leistung

7.6.3 Messprinzipien

7.7 Induktivität

7.7.1 Definition

7.7.2 Messprinzipien

7.8 Magnetische Feldstärke

7.8.1 Definition

7.8.2 Messprinzipien magnetischer Größen

7.8.3 Messanordnungen

7.8.4 Mehrdimensionale Messungen mit dem Hall-Effekt

Weiterführende Literatur

8 Radiound fotometrische Größen

8.1 Radiometrie

8.1.1 Radiometrische Größen

8.1.2 Messung elektromagnetischer Strahlung

8.2 Fotometrie

8.2.1 Fotometrische Größen

8.2.2 Messung fotometrischer Größen

8.3 Anwendung von Helligkeitssensoren

8.4 Farbe

8.4.1 Farbempfinden

8.4.2 Farbmodelle

8.4.3 Farbsysteme

8.4.4 Farbfilter für Sensoren

8.4.5 Farbsensoren

Weiterführende Literatur

9 Akustische Messgrößen

9.1 Definition wichtiger akustischer Größen

9.2 Menschliche Wahrnehmung

9.2.1 Pegel

9.2.2 Lautstärke

9.2.3 Lautheit

9.3 Schallwandler

9.4 Anwendungsfelder

Weiterführende Literatur

10 Klimatische und meteorologische Messgrößen

10.1 Feuchtigkeit in Gasen

10.1.1 Definitionen und Gleichungen

10.1.2 Feuchtemessungen in Gasen

10.1.2.1 Psychrometer, Aufbau und Funktionsweise

10.1.2.2 Taupunktspiegel

10.1.2.3 Kapazitive Feuchtemessung

10.1.2.4 Integrierte kapazitive Feuchtesensoren mit Bus-Ausgang

10.2 Feuchtebestimmung in festen und flüssigen Stoffen

10.2.1 Direkte Verfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte

10.2.1.1 Prozentualer Wassergehalt einer Materialprobe

10.2.1.2 Wasseraktivität einer Materialprobe

10.2.1.3 Karl-Fischer-Titration

10.2.1.4 Calciumcarbid-Methode

10.2.1.5 Calciumhydrid-Methode

10.2.2 Indirekte Messverfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte

10.2.2.1 Messung der elektrischen Eigenschaften

10.2.2.2 Erfassen der optischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf

10.2.2.3 Messung des Saugdruckes in feuchten Materialien (Tensiometrie)

10.2.2.4 Messung der atomaren Eigenschaften

10.2.2.5 Nuklear-Magnetisches-Resonanz-Verfahren (NMR)

10.2.2.6 Messung der Wärmeleitfähigkeit

10.3 Messung von Niederschlägen im Außenklima

10.4 Feuchtemessung in geschlossenen Räumen

10.4.1 Messung des Klimas in Wohnungen und am Arbeitsplatz

10.4.2 Klima in Museen und Ausstellungsräumen

10.4.3 Klima in elektrischen Anlagen

10.4.4 Beeinflussen des Raumklimas

10.5 Luftdruck

10.6 Windund Luftströmung

10.6.1 Definition

10.6.1 Methoden zur Windmessung

10.7 Wasserströmung

10.7.1 Definition

10.7.2 Direkte und indirekte Durchflussmessung

Weiterführende Literatur

11 Ausgewählte chemische Messgrößen

11.1 Redoxpotenzial

11.1.1 Allgemeines

11.1.2 Edelmetallische Redoxelektroden

11.1.3 Redoxglaselektroden

11.1.4 Bezugselektroden

11.2 Ionen einschließlich Hydroniumionen

11.2.1 Allgemeines

11.2.2 pH-Messung

11.2.3 Weitere Ionen

11.3 Gase

11.3.1 Allgemeines

11.3.2 Gase im physikalisch gelösten Zustand bzw. bei Normaltemperatur

11.3.2.1 Festelektrolytsensoren

11.3.2.2 Elektrochemische Zellen mit festen Elektrolyten

11.3.3 Halbleiter-Gassensoren – Metalloxidhalbleitersensoren (MOS)

11.3.4 Pellistoren

11.4 Elektrolytische Leitfähigkeit

11.4.1 Allgemeines

11.4.2 Kohlrausch-Messzellen

11.4.3 Mehrelektroden-Messzellen

11.4.4 Elektrodenlose Leitfähigkeitsmesszellen

11.4.5 Beispiele zur Anwendung von Leitfähigkeitssensoren

Weiterführende Literatur

12 Biologische und medizinische Sensoren

12.1 Biologische Sensorik

12.1.1 Biosensorik

12.1.2 Echte biologische Sensoren

12.2 Funktionsprinzipien der Biosensoren

12.2.1 Kalorimetrische Sensoren

12.2.2 Mikrogravimetrische Sensoren

12.2.3 Optische Sensoren

12.2.4 Elektrochemische Sensoren

12.2.5 Immobilisierungsmethoden

12.3 Physikalische und chemische Sensoren in der Medizin

12.3.1 Physikalisch-chemische Blutanalysen

12.3.2 Klinisch-chemische Blutanalysen

12.4 Enzymatische Methoden – Enzymsensoren

12.4.1 Enzymbasierter Analytnachweis

12.4.2 Bestimmung der Enzymaktivität

12.4.3 Anwendungsfelder enzymatischer Tests

12.5 Immunologische Methoden – Immunosensoren

12.5.1 Direkte Immunosensoren

12.5.2 Indirekte Immunosensoren

12.5.3 Anwendungsfelder von Immunosensoren

12.6 DNA-basierte Sensoren

12.6.1 Hybridisierungsdiagnostik

12.6.2 Anwendung und Einsatz von DNA-Sensoren

12.7 Zellbasierte Sensorik

12.7.1 Metabolischer Zellchip

12.7.2 Neuro-Chip

Weiterführende Literatur

13 Messgrößen für ionisierende Strahlung

13.1 Einführung und physikalische Größen

13.2 Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie

13.3 Einteilung der Sensoren

13.4 Gasgefüllte Strahlungssensoren

13.5 Strahlungssensoren nach dem Anregungsprinzip

13.6 Halbleitersensoren

Weiterführende Literatur

14 Fotoelektrische Sensoren

14.1 Strahlung

14.2 Szintillatoren

14.3 Äußerer Fotoeffekt

14.3.1 Fotomultiplier

14.3.2 Channel-Fotomultiplier

14.3.3 Bildaufnahmeröhren

14.4 Innerer Fotoeffekt

14.4.1 Fotoleiter

14.4.2 Fotodioden

14.4.3 Fototransistor, Fotothyristor und Foto-FET

14.4.4 CMOS-Bildsensoren

14.4.5 Hochdynamische CMOS-Bildsensoren

14.5 CCD-Sensoren

14.5.1 Zeilensensoren

14.5.2 CCD-Matrixsensoren

14.6 Quantum Well Infrared Photodetector QWIP

14.7 Thermische optische Detektoren

14.7.1 Thermosäulen

14.7.2 Pyroelektrische Detektoren

14.7.3 Bolometer

15 Signalaufbereitung und Kalibrierung

15.1 Signalaufbereitung

15.1.1 Analoge (diskrete) Signalaufbereitung

15.1.2 Signalaufbereitung mit Systemschaltkreisen

15.1.3 Signalaufbereitung mit ASICs

15.1.4 Signalaufbereitung mit Mikrocontrollern

15.2 Sensorkalibrierung

15.2.1 Passive Kompensation

15.2.2 Justage mit analoger Signalverarbeitung

15.2.3 Justage mit digitaler Signalverarbeitung

15.3 Energiemanagement bei Sensoren

Weiterführende Literatur

16 Interface

16.1 Analoge Interfaces

16.1.1 Spannungsausgang

16.1.2 Ratiometrischer Spannungsausgang

16.1.3 Stromausgang

16.1.4 Frequenzausgang und Pulsweitenmodulation

16.1.5 4-/6-Draht-Interface

16.2 Digitale Interfaces

16.2.1 CAN-Gruppe

16.2.2 LON

16.2.3 HART

16.2.4 RS485

16.2.5 IO-Link

16.2.6 Profibus

16.2.7 I2C

16.2.8 SPI

16.2.9 IEEE 1451

Weiterführende Literatur

17 Sicherheitsaspekte bei Sensoren

17.1 Eigenschaften zur Funktionsüberwachung

17.2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

17.3 Funktionale Sicherheit (SIL)

17.4 Sensoren in explosiver Umgebung (ATEX)

17.4.1 Grundlagen des ATEX

17.4.2 Zündschutzart Eigensicherheit

17.4.3 Zündschutzart druckfeste Kapselung

Weiterführende Literatur

18 Messfehler, Messgenauigkeit und Messparameter

18.1 Einteilung der Messfehler nach ihrer Ursache

18.2 Darstellung von Messfehlern

18.2.1 Arithmetischer Mittelwert, Fehlersumme und Standardabweichung

18.2.2 Absoluter Fehler

18.2.3 Relativer Fehler

18.3 Messparameter

18.3.1 Streuung von Messwerten

18.3.2 Auflösung von Messwerten

18.3.3 Signal-Rausch-Abstand und Dynamik von Messwerten

Weiterführende Literatur

Sachwortverzeichnis