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Intelligente Sensorsysteme
Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
MEASUREMENT AND SENSOR
Industrieunternehmen
Spanien
Italien
Sfax- Tunesien
International
Measurement
Confederation
Professur für
Mess- und Sensortechnik
Estland
Forschung für die
Mess- und Sensortechnik
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Ingenieurausbildung
S. 0-2
German IEEE Student Branches (until August 2014)
S. 0-3
NEW!!!
An IEEE Student Branch of Chemnitz is born!
• 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
S. 0-4
Allgemeines
Vorlesung und Übung (siehe Vorlesungsplan)
Vorlesung:
Übung:
Montag
Freitag (1.Wo.)
09.15 – 10.45 Uhr,
11.30 – 13.00 Uhr
2/W059
2/N005
Betreuung der Übungen
Dipl.-Ing. Thomas Günther
Skripte, Übungen und Infomationen zur Lehrveranstaltung
https://bildungsportal.sachsen.de/opal/
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-5
Vorlesungsplan
Versionsnummer
https://bildungsportal.sachsen.de
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-6
Lehre @ Lehrstuhl für Mess- und Sensortechnik
3. Semester
5.-7. Semester
8.-9. Semester
Smart Sensor Systems (Deutsch/Englisch)
4 SWS (WS)
MNS, MP, ATEN
Elektrische Messtechnik
Sensorsignalverarbeitung
MNS
ET, IKT, MTM, … 3 SWS (WS)
4 SWS (WS)
Photonics
MNS
Sensoren und Sensorsignalauswertung
Automotive Sensors
MNS, EVS, ASE
ET/MTM/SpE/CosP
3 SWS (WS)
2 SWS (SS)
4 SWS (SS)
Energiespeichersysteme
EET, EM,
4 SWS (SS)
Praxisseminar Mess- und Sensortechnik
MNS, Informatik, AE
2 SWS (SS)
Embedded System Lab
ES
2 SWS (SS)
Projektpraktikum, Bachelorarbeit, Masterarbeiten
Alle Studenten, Projekte in Kooperation mit Industrie
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-7
Forschungsgebiete@MST
Laser
A
 Batterien, DSK
 Energiemanagement
 Charakterisierung
und Modellierung
 Online Diagnose
AFM-Steuerung
Energiespeicher
Neuartige
Messverfahren
B
 IS-basierte Parameterbestimmung
Impedanzanalyzer
4294
Systemmodellierung
HP
A
 Makro- sowie mikroAnalyse
|Z()|, skopische
()
< 1µm
 Energy Harvesting
 Energiemanagement
 Drahtlose Sensoren
Energieautarke
Sensorik
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Neuartige
Sensoren




CNT basierte Sensoren
Wirbelstromsensoren
Leitfähigkeitssensoren
Kapazitive Sensorik
Neue Messprinzipien
sensornahe Signalverarbeitung
Entwurf von Messsystemen
S. 0-8
System Identification
Variation of Frequency
U~(f)
-jZ / Ω (Imaginärteil)
I~ (f)
Z(jω)=Z’(ω)+j·Z’’(ω)
ω
Z’’(ω1)
|Z(ω1)|
φ(ω1)
R’
Z’(ω1)
Z / Ω (Realteil)
R’’
Impedance Spectroscopy
Prof. Olfa Kanoun
Chair for Measurement and Sensor Technology
Impedance spectroscopy
~ ~
~
R
Batteries
CNT-Dispersions
C
Sensors
Bio & Medical
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Materials & Structures
Cables
Beispiel: Batteriediagnose
Im(Z) in W
10 kHz
1,2 Ah Li-Ion Endladen, 0.003 Hz bis 1031 Hz
Induktivität
0
Zyklus 0-200
Prosität
State-of-health (SOH)
-0.04
State-of-Charge (SOC)
Durchtrittsreaktion
Diffusion
f
-0.08
3 mHz
0
0.02
0.06
0.1
[Re(Z) - min(Re(Z))] in W
0.14
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
0.18
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
 Zerstörungsfreie Diagnose
 Unabhängig von Zellchemie und Aufbau
 Bestimmung Innerer Zustände
□
SoH, EoL
 Herausforderungen
□
□
□
Messdauer
Komplexität der Hardware
Erforderlicher Speicher und Rechenaufwand
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
Modellbildung
Messung &
Verarbeitung
Kontakte
Elektroden
Diffusion
Parameterextraktion
✓ Zustandsüberwachung (SoH, EoL)
✓ Simulation des Zeitbereichsverhaltens
✓ Einsatz in Qualifikation und Online-Überwachung
✓ reduzierter Anteil „a priori-Wissen“
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Diagnose von Energiespeichern
Elektrochemisch-physikalisch basierte Modellierung
Frequenzbereich
Impedanzspektrum + Frequenzbereichsmodell
Im (Z ) / W
0
1000Hz
10.5Hz
-0.02
0.1Hz
0.01Hz
1Hz
ZMess
-0.04
Präzise Charakterisierung
0.00316Hz
Zmodel
-0.06
0.08
0.1
0.12 0.14 0.16
Re (Z ) / W
0.18
0.2
Zeitbereich
xn
+
 a1
 a2
4.1
z-1
b1
z-1
b2
Zeitbereichsmodell
z. B. digitales Filter
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
U/V
b0
yn
+
Vorhersage der Batteriespannung
4
3.9
uMess
3.8
uSim
0
200
400
t/s
600
800
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
Beispiel: Simulation des Batterieverhaltens mittels Impedanz-Ansatz
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Batteriediagnose mittels Impedanzspektroskopie
Labor > 10k€
u/i
Embedded
✓ klein
✓ günstig
✓ portabel
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Tower
Field Distribution
Transmission Line
Energy Harvesting
Prof. Olfa Kanoun
Chair for Measurement and Sensor Technology
System Aspects for Energy Harvesting
Availability of Energy
Lastcharakteristik
ttransmit
tmeasure
EM-Strahlung
P
Vibration
t
tsleep
[Kanoun et al., IEEE IMTC 2006]
- State of Health
- State of Charge
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Optimisation of Energy
Consumption
S. 0-18
Systeme mit Energy Harvesting
Untersuchung
Simulation
Entwurf
Verifikation
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-17
Energy Harvesting on Power Lines
High-Voltage
Transmission Network
Development of an Energy Supply Module for a
Wireless Sensor Node on High Voltage Power Lines
Node 1
Gateway
(e.g.transformer station)
Node 2
Node Daten:
- Temperature
- Inclination
- Current
- Energy Converter from
Electrostatic Field
Middle-Voltage
Distribution Network
Node 4
Node 3
- Energy Supply for the wireless
Sensor Node
Tower
Field Distribution
Transmission Line
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-18
Induktive Energieübertragung
Herausforderung:
Geringere Effizienz bei
• Achenverschiebung
• großem Abstand
Ansatz: MISO- Spulensystem
Beispiel:
Durchmesser: 30 mm
Abstand: 50 mm
Achsenverschiebung: 10 mm
 Effizienz mit SISO : 9,28 %
 Effizienz mit MISO: 12,5 %
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-19
Vibrationswandler
Wandlereigenschaften:
Bewegte Permanentmagneten
Fixierte Elektronik
Reibarm durch Magnetlagerung
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-22
Nanocomposite Sensors
Prof. Olfa Kanoun
Chair for Measurement and Sensor Technology
Kohlenstoffnanoröhren (CNT) / Polymer-Drucksensoren
• Sensorprinzip
piezoresistiver Effekt
∆R = f(FKompression)
• Vorteile
+ einfache Herstellung
+ gute Handhabbarkeit
+ kostengünstige Herstellung
+ Druckbar
+ Empfindlichkeit im zweistelligen Bereich
Sensorprinzip:
a) Ausgangszustand, keine/wenige Leitpfade, hochohmig
b) mech. Belastung, mehrere Leitpfade niederohmig
c) Entlastung, keine/wenige Leitpfade, hochohmig
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-17
Druckmessung im Spannfutter
CNTPolymer
Abstandshalter
CNTs in Duroplast-Matrix
Vier Interdigital-Elektroden
•
•
Sensorelement zur
Kompensation
Zwei für Druckmessung
Zwei für Kompensation von
Einflusseffekten (T, q)
Elektrodendimensionen
Drucksensitiver
Bereich
Interdigitales Elektrodenlayout
• Elektrodenbreite: 150 µm
• Elektrodenabstand: 100 µm
CNTPolymerSchicht
Abstandshalter
Abstandhalter
• Schablone
• Schichtdicke: 400-500 µm
Sensoraufbau
InterdigitalElektroden
Substrat
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-18
Kraftmessung mit den neuartigen Sensoren
Zyklische Kraftmessung
R-ΔR
Kraft
• Halbbrücke
U0
-
+
R
R-ΔR
Drucksensorprototyp
2,0
550
1,8
Abs ΔR in %
1,5
1,5 wt%
500
2 wt%
450
Kraft
400
1,3
350
1,0
300
0,8
250
200
0,5
150
0,3
100
0,0
50
0
Reproduzierbarkeit CNT-Epoxid-Komposite
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Kraft in N
• 2000 N Maximalkraft
• Messwerte pendeln sich ein
• gute Wiederholbarkeit
R
Ud
250
500
750
Zeit in s
1000
1250
Sensorsignal bei stufenförmiger
Druckkraftbelastung
S. 0-19
Druckmessung an der Peripherie des Menschen
CNT Druck-Sensorarrays
CNTs in Elastomer-Matrix
•
•
•
Sensor auf flexiblen Materialien
z.B. Folien, Textilien
Sensoren druckbar
Messung des Fußdrucks und der
Fußdruckverteilung
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-20
Struktur elektrischer Messeinrichtungen
VDI/VDE 2600
Hilfsenergie
Messgröße
Aufnehmer
Messumformer
Messsignal
Anpasser
Messverstärker,
Elektronisches
Rechengerät
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
Messsignal
Ausgeber
Messwert
Anzeiger,
Schreiber,
Zähler
S. 0-28
Aufbau eines Messsystems
Anregung
Amplitude
Frequenz
EinflussGrößen
Messgröße
Sensorelement
=
Betriebsschaltung
analoge
Signalvorverarbeitung
 Versorgung
 Verstärkung
 Vorgabe von
Betriebsbedingungen
 Filter
 Spezielle Maasnahmen
für den sicheren Betrieb
 Signalumformung
 Linearisierung
 Kompensation
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
A/D-Wandlung
Sensor-Schnittstelle
digitale
Signalverarbeitung
 Berechnung der
Messgröße
 Korrektur von
Einflussgrößen
 Korrektur von
Alterungseffekten
 Fertigungstoleranzen
S. 0-29
Ziele unserer Vorlesung
Sensorelement  Messsystem
 Vertiefung der elektrischen Messtechnik
 Struktur von Messeinrichtungen
 Möglichkeiten zum Vermeiden von Störeinflüssen
 Verstärkerschaltungen
 A/D-Umsetzung
 Analoge und digitale Signalverarbeitung
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-30
Gliederung der Vorlesung
1. Strukturen von Messeinrichtungen
2. Messsignale
3. Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen
4. Analoge Signalverarbeitung
5. Verstärkerschaltungen
6. Analog/Digital-Umsetzer
7. Impedanzspektroskopie
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-31
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
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 0-32
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Technik
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