Projektarbeit Drucksensoren Themenschwerpunke Physikalische Grundlagen Druckarten berblick ber

Projektarbeit Drucksensoren Themenschwerpunke • Physikalische Grundlagen • Druckarten • Überblick über die verschiedenen Drucksensoren • Firmen, Literatur, Preise 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 1 1

Projektarbeit Drucksensoren Was ist Druck ? • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Die Einheit Pascal ist unzweckmäßig für die Automatisierungstechnik • Bei Wetterkarten werden Drücke in Pascal angegeben z. B. 100 Hecto Pascal Luftdruck (Größenordnung) • In der Sensorik wird die Einheit bar oder psi verwendet 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 2 2

Projektarbeit Drucksensoren • F ist ein Vektor, p ist ein Skalar! • Physikalische Grundl. • Druckarten Die Kraft senkrecht zur Fläche ist entscheidend! • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Was bedeutet das für die Einbaulage und die Konstruktion von Drucksensoren ? 1. 2. 2. Fehlerhafte Kolbenstange 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik 3. Die Einbaulage eines Drucksensors spielt keine Rolle -> p ist ein Skalar Die Kraftkomponente sollte immer senkrecht zur Kraftaufnahmefläche erfasst werden (siehe Fehlerhafte Kolbenstange) -> F ist ein Vektor Blatt 1. 3 3

Projektarbeit Drucksensoren Druckmessprinzip: • Physikalische Grundl. • Druckarten 1. Durch den Druck kommt es zur 2. Kraftentwicklung auf die Kolbenfläche 3. Die Kraft bewirkt eine mech. Verformung 4. Die sich in Form einer Längenänderung auswirkt • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Mech. Sensoren können die Längenänderung direkt über eine Skala anzeigen( siehe Bild) • Elektrische Sensoren müssen die Längenänderung zusätzlich noch in elektrische Signal umwandeln 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 4 4

Projektarbeit Drucksensoren • Der Druck wird in der Regel von Gasen oder Flüssigkeiten bestimmt: Kompressible Medien (Gase) Inkompressible Medien (Flüssigkeiten) • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Der Druck ist proportional zur Höhe (bei inkompressiblen Medien) Man könnte also mit einem Messgerät am Boden des Behälter den Füllstand messen Hydrostatisches Paradoxon 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 5 5

Projektarbeit Drucksensoren • Hydrostatische Kraftübertragung • Physikalische Grundl. • Druckarten • Hydrostatisch Druckübersetzung • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Kontinuitätsgleichung (Hydraulikkreislauf) Aussage: Verringert sich die Querschnittsfläche auf die Hälfte dann muss die Geschwindigkeit auf das doppelte ansteigen • Bernoulli Gleichung Aussage: Die Summe der Energiebeiträge bleibt konstant 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 6 6

Projektarbeit Drucksensoren • Relativdruckmessung: • Der Druck wird relativ zum äußeren Luftdruck gemessen • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Absolutdruckmessung: • Firmen, Preise, Literatur • Der Druck wird gegen ein Referenz. Vakuum gemessen z. B. Höhenmesser • Referenzdruckmessung • Der Druck wird gegen ein Referenz Medium gemessen 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 7 7

Projektarbeit Drucksensoren Allgemeines zu Drucksensoren • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Druckmessbereich: Von wenigen mbar bis ca. 5000 bar Anwendungsgebiete: • Automobilbereich (Öldruck, Einspritzsystem usw. ) • Meteorologie (Luftdruck) • Medizin (Blutdruck) • allg. in der Industrie 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 8 8

Projektarbeit Drucksensoren • Drucksensoren: • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Piezoresistive Drucksensoren • Drucksensoren aus Metall • Kapazitive Drucksensoren • Piezoelektrische Drucksensoren • Foliendrucksensoren 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 9 9

Projektarbeit Drucksensoren Piezoresistive Drucksensoren: Druckbereich 0, 02 bar bis 400 bar Funktionsprinzip Mech. Spannungen werden in elektrische Signal umgewandelt • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Aufbau: Bsp. Mikrosensor aus Silizium 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 10 10

Projektarbeit Drucksensoren Das Siliziummaterial wird deformiert (reversibel), wirkt dabei als Feder und gleichzeitig als Signalgeber Aufbau der Siliziummembran • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Die Membran wird an einigen Stellen Piezowiderstände n- oder p dotiert (sog. Piezowiderstände) • Der spezifische Widerstand von Silizium ist abhängig von den mechanischen Spannungen im Siliziumkristall Durch Druckverformung ändert sich der elektrische Widerstand 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 11 Siliziummembran unter Druck 11

Projektarbeit Drucksensoren Piezoresistive Drucksensoren in Silizium Ausführung können sehr klein hergestellt werden Beispiel: Piezoresistiver Drucksensor • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 12 12

Projektarbeit Drucksensoren Wenn eine hohe Zuverlässigkeit, Überlastsicherheit oder Präzisionsmesstechnik gefordert wird dominieren weiterhin Drucksensoren mit metallischen Federkörpern Drucksensoren aus Metall • Physikalische Grundl. Nachteil: Sie sind relativ teuer • Druckarten Metall-Dünnfilm-DMS • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Dünnfilmtechnik: Metall-Messmembran Passivierungs- Die DMS-Schicht wird aufgedampft oder durch sputtern aufgebracht schicht Druck Kenndaten: Isolationsschicht Materialdicke Widerstände etwa 0, 005 Mikrometer • Widerstandswerte ca. 350 – 10000 Ohm Temperaturbereich bis 170°C 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 13 13

Projektarbeit Drucksensoren Prinzip der Dehnungsmessstreifen Durch Dehnung der Membran • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren Verformung der DMS • Firmen, Preise, Literatur Querschnittänderung k = Proportionalitätsfaktor Bei Metallischen Leitern k ca. 2 Widerstandsänderung k ist abhängig von der Geometrie und dem Material Die Widerstandsänderung ist proportional zur Längenänderung 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 14 14

Projektarbeit Drucksensoren Wie wird die Widerstandsänderung ausgewertet? • Physikalische Grundl. Die Wiederstandsänderung wird oft mit Hilfe der Brückenschaltung ausgewertet • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Der Druck wird also über die Spannungsänderung ausgewertet 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 15 15

Projektarbeit Drucksensoren Um Messfehler u. a. durch die Geometrie zu vermeiden haben die Brückenschaltung oft diese Form • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren Widerstandsrosette • Firmen, Preise, Literatur 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 16 16

Projektarbeit Drucksensoren Kapazitive Drucksensoren • Werden oft bei Differenzdruckmessungen • Physikalische Grundl. eingesetzt • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Prinzip des Plattenkondensators 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 17 17

Projektarbeit Drucksensoren Piezoelektrische Drucksensoren • Diese Sensoren werden vor allem dort eingesetzt wo es auf schnelle Ansprechzeiten ankommt • Physikalische Grundl. • Druckarten Der Piezoeffekt: • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Piezoelektrische Materialen 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 18 18

Projektarbeit Drucksensoren Foliendrucksensoren Werden hauptsächlich im Bereich Medizin eingesetzt • z. B. Druckverteilung des Fußes oder des Gebisses • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur • Bei Belastung Ändert sich der Widerstand exponentiell Im Bereich von ca. 1 Mega Ohm bis auf wenige kilo Ohm Doppelseitig klebende Folie 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 19 19

Projektarbeit Drucksensoren Literatur • Physikalische Grundl. • Druckarten • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur Firmen 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 20 20

Projektarbeit Drucksensoren • Physikalische Grundl. • Druckarten Datenblatt zu Elektronischer Druckschalter ca. 120 Euro • Drucksensoren • Firmen, Preise, Literatur 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 21 21

Projektarbeit Drucksensoren Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit 10. 5. 07 Sensorik/Aktorik Blatt 1. 22 22