intelligente sensorsysteme · forschung für die mess- und sensortechnik ingenieurausbildung...

Intelligente Sensorsysteme

Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun

Professur für Mess- und Sensortechnik

MEASUREMENT AND SENSOR TECHNOLOGY

Italien

Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun

Professur für Mess- und SensortechnikS. 0-2

International

Measurement

Confederation

Forschung für die

Mess- und SensortechnikIngenieurausbildung

Industrieunternehmen


Sfax- Tunesien

Spanien

Estland

S. 0-3

German IEEE Student Branches (until August 2014)

S. 0-4

• Local technical and

social activities

• Exchange with other

student branches in

Germany, in Region 8

and World Wide

• Participation to the

IEEE Student

Conference

• Financial support from

IEEE

NEW!!!

An IEEE Student Branch of Chemnitz is born!

Allgemeines

Vorlesung und Übung (siehe Vorlesungsplan)

Vorlesung: Montag 09.15 – 10.45 Uhr, 2/W059

Übung: Freitag (1.Wo.) 11.30 – 13.00 Uhr 2/N005

https://bildungsportal.sachsen.de/opal/

Betreuung der Übungen

Skripte, Übungen und Infomationen zur Lehrveranstaltung

Dipl.-Ing. Thomas Günther



https://bildungsportal.sachsen.de



Vorlesungsplan

Versionsnummer

Lehre @ Lehrstuhl für Mess- und Sensortechnik


Professur für Mess- und Sensortechnik S. 0-7

3. Semester 5.-7. Semester 8.-9. Semester

3 SWS (WS)

Elektrische Messtechnik

ET, IKT, MTM, …

Sensoren und Sensorsignalauswertung

3 SWS (WS)ET/MTM/SpE/CosP

Photonics

MNS 2 SWS (SS)

Automotive Sensors

MNS, EVS, ASE 4 SWS (SS)

Projektpraktikum, Bachelorarbeit, Masterarbeiten

Smart Sensor Systems (Deutsch/Englisch)

4 SWS (WS)MNS, MP, ATEN

Sensorsignalverarbeitung

4 SWS (WS)MNS

Alle Studenten, Projekte in Kooperation mit Industrie

Praxisseminar Mess- und Sensortechnik

MNS, Informatik, AE 2 SWS (SS)

Energiespeichersysteme

EET, EM, 4 SWS (SS)

Embedded System Lab

ES 2 SWS (SS)

S. 0-8

Forschungsgebiete@MST

Neue Messprinzipien

sensornahe Signalverarbeitung

Entwurf von Messsystemen

IS-basierte Parameter-

bestimmung

Systemmodellierung

Makro- sowie mikro-

skopische Analyse

CNT basierte Sensoren

Wirbelstromsensoren

Leitfähigkeitssensoren

Kapazitive Sensorik

Energy Harvesting

Energiemanagement

Drahtlose Sensoren

Batterien, DSK

Energiemanagement

Charakterisierung

und Modellierung

Online Diagnose

Energieautarke

Sensorik

Neuartige

Messverfahren

Neuartige

Sensoren

Energie-

speicher

AFM-Steuerung

Impedanzanalyzer

HP 4294 A

Impedanzanalyzer

HP 4294 A

Laser

|Z()|, ()

< 1µm

A

B



Chair for Measurement and Sensor TechnologyProf. Olfa Kanoun

Impedance Spectroscopy

ω

φ(ω1)

Z’(ω1)

Z’’(ω1)

|Z(ω1)|

-jZ

/ Ω

(Im

ag

inä

rte

il)

Z(jω)=Z’(ω)+j·Z’’(ω)

Z / Ω (Realteil)

R’’R’

I~ (f)

U~(f)

System Identification Variation of Frequency

Impedance spectroscopy

Sensors Materials & StructuresBatteries

CNT-Dispersions Bio & Medical Cables

R

~~~~

~~

C



0 0.02 0.06 0.1 0.14 0.18

-0.08

-0.04

0

[Re(Z) - min(Re(Z))] in W

Im(Z

) in

W Zyklus 0-200

f

3 mHz

10 kHz

Durchtrittsreaktion

Prosität

Induktivität

1,2 Ah Li-Ion Endladen, 0.003 Hz bis 1031 Hz

Diffusion

State-of-health (SOH)

State-of-Charge (SOC)



Beispiel: Batteriediagnose

Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie

Zerstörungsfreie Diagnose

Unabhängig von Zellchemie und Aufbau

Bestimmung Innerer Zustände

□ SoH, EoL

Herausforderungen

□ Messdauer

□ Komplexität der Hardware

□ Erforderlicher Speicher und Rechenaufwand




Elektroden DiffusionKontakte

Messung &

Verarbeitung

Parameterextraktion

✓ Zustandsüberwachung (SoH, EoL)

✓ Simulation des Zeitbereichsverhaltens

✓ Einsatz in Qualifikation und Online-Überwachung

✓ reduzierter Anteil „a priori-Wissen“

Modellbildung



Diagnose von Energiespeichern

+

ny

1b

2b

z-1

+

nx

z-1

0b

1a

2a

z. B. digitales Filter

Zeitbereichsmodell

Impedanzspektrum Frequenzbereichsmodell+ Präzise Charakterisierung

0 200 400 600 800

3.8

3.9

4

4.1

t/sU

/V

uMess

uSim

0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-0.06

-0.04

-0.02

0

Re (Z ) / W

Im (

Z )

/ W

0.00316Hz

0.01Hz

0.1Hz

1Hz

10.5Hz

1000Hz

ZMess

Zmodel

Zeitbereich Vorhersage der Batteriespannung

Frequenzbereich Elektrochemisch-physikalisch basierte Modellierung




Beispiel: Simulation des Batterieverhaltens mittels Impedanz-Ansatz




u/i

Labor > 10k€

Embedded

✓ klein

✓ günstig

✓ portabel




Energy Harvesting

Transmission Line

Tower

Field Distribution

[Kanoun et al., IEEE IMTC 2006]

EM-Strahlung

Vibration

P

t

tsleep

tmeasure

ttransmit

Lastcharakteristik

- State of Health

- State of Charge

Availability of Energy

Optimisation of Energy

Consumption

System Aspects for Energy Harvesting



Systeme mit Energy Harvesting

Untersuchung Simulation

Entwurf

Verifikation



Node Daten:

- Temperature

- Inclination

- Current

Middle-Voltage

Distribution Network

High-Voltage

Transmission Network

Node 1

Node 2

Node 3

Node 4

Gateway

(e.g.transformer station)

Energy Harvesting on Power Lines

- Energy Converter from

Electrostatic Field

- Energy Supply for the wireless

Sensor Node

Transmission Line

Tower

Field Distribution

Development of an Energy Supply Module for a

Wireless Sensor Node on High Voltage Power Lines



Induktive Energieübertragung

Beispiel:

Durchmesser: 30 mm

Abstand: 50 mm

Achsenverschiebung: 10 mm

Effizienz mit SISO : 9,28 %

Effizienz mit MISO: 12,5 %

Ansatz: MISO- Spulensystem

Herausforderung:

Geringere Effizienz bei

• Achenverschiebung

• großem Abstand



Vibrationswandler

Wandlereigenschaften:

Bewegte Permanentmagneten

Fixierte Elektronik

Reibarm durch Magnetlagerung




Nanocomposite Sensors

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) / Polymer-Drucksensoren

Sensorprinzip:

a) Ausgangszustand, keine/wenige Leitpfade, hochohmig

b) mech. Belastung, mehrere Leitpfade niederohmig

c) Entlastung, keine/wenige Leitpfade, hochohmig

∆R = f(FKompression)

• Sensorprinzip

piezoresistiver Effekt

• Vorteile+ einfache Herstellung

+ gute Handhabbarkeit

+ kostengünstige Herstellung

+ Druckbar

+ Empfindlichkeit im zweistelligen Bereich



Druckmessung im Spannfutter

Substrat

Interdigital-

Elektroden

Abstandshalter

Sensorelement zur

Kompensation

Abstandshalter

CNT-

Polymer-

Schicht

Interdigitales Elektrodenlayout

Sensoraufbau

Drucksensitiver

Bereich

CNT-

PolymerCNTs in Duroplast-Matrix

Vier Interdigital-Elektroden• Zwei für Druckmessung

• Zwei für Kompensation von

Einflusseffekten (T, q)

Elektrodendimensionen• Elektrodenbreite: 150 µm

• Elektrodenabstand: 100 µm

Abstandhalter• Schablone

• Schichtdicke: 400-500 µm



Kraftmessung mit den neuartigen Sensoren

Reproduzierbarkeit CNT-Epoxid-Komposite

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0,0

0,3

0,5

0,8

1,0

1,3

1,5

1,8

2,0

0 250 500 750 1000 1250

1,5 wt%

2 wt%

Kraft

Zeit in sA

bs

ΔR

in %

Kra

ft in

N

Zeit in sA

bs

ΔR

in %

Kra

ft in

N

Sensorsignal bei stufenförmiger

Druckkraftbelastung

Drucksensorprototyp

R

Ud

U0

R-ΔRR

+ -

R-ΔRKraftZyklische Kraftmessung

• Halbbrücke

• 2000 N Maximalkraft

• Messwerte pendeln sich ein

• gute Wiederholbarkeit



Druckmessung an der Peripherie des Menschen

CNTs in Elastomer-Matrix• Sensor auf flexiblen Materialien

z.B. Folien, Textilien

• Sensoren druckbar

• Messung des Fußdrucks und der Fußdruckverteilung

CNT Druck-Sensorarrays



S. 0-28

Struktur elektrischer Messeinrichtungen

Mess-

signal

Hilfsenergie

Anzeiger,

Schreiber,

Zähler

Messverstärker,

Elektronisches

Rechengerät

Messumformer

MessgrößeMess-

signalAusgeberAnpasserAufnehmer

Messwert

VDI/VDE 2600



S. 0-29

Sensor-Schnittstelle

Betriebsschaltung

A/D

-Wa

nd

lun

g

Am

plit

ud

eF

req

ue

nz

analoge Signalvorverarbeitung

digitale Signalverarbeitung

Messgröße

Einfluss-

Größen

Sensorelement

=

Anregung

Aufbau eines Messsystems



Spezielle Maasnahmen

für den sicheren Betrieb

Versorgung

Vorgabe von

Betriebsbedingungen

Verstärkung

Filter

Linearisierung

Signalumformung

Kompensation

Berechnung der

Messgröße

Korrektur von

Einflussgrößen

Korrektur von

Alterungseffekten

Fertigungstoleranzen

S. 0-30

Ziele unserer Vorlesung

Vertiefung der elektrischen Messtechnik

Struktur von Messeinrichtungen

Möglichkeiten zum Vermeiden von Störeinflüssen

Verstärkerschaltungen

A/D-Umsetzung

Analoge und digitale Signalverarbeitung



Sensorelement Messsystem

Gliederung der Vorlesung

1. Strukturen von Messeinrichtungen

2. Messsignale

3. Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen

4. Analoge Signalverarbeitung

5. Verstärkerschaltungen

6. Analog/Digital-Umsetzer

7. Impedanzspektroskopie



S. 0-32

Literatur

• H.-R. Tränkler, E. Obermeier: Sensortechnik, Springer Verlag, Berlin, 1998

• E. Schrüfer: Elektrische Messtechnik, Hanser Verlag

• W. G. Webster, J. G. Webster: Measurement, Instrumentation and Sensors

Handbook, CRCnetBASE 1999

• S. A. Dyer: Survey of Instrumentation and Measurement, John Wiley & Sons, 2001

• U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer



intelligente sensorsysteme · forschung für die mess- und sensortechnik ingenieurausbildung...

Documents