Vorlesung Funktionswerkstoffe I & II · Functional MaterialsFunctional Materials Saarland UniversitySaarland University Sensoren und Aktoren Welche Anwendungen gibt es dafür? Die

Functional MaterialsFunctional Materials Saarland UniversitySaarland University

Vorlesung

Funktionswerkstoffe I & IIProf.Dr. F. Mücklich


FunktionswerkstoffeWas sind Funktionswerkstoffe?

Werkstoffe, die mehr leisten sollen als Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit!


FunktionswerkstoffeVielfalt der Funktionswerkstoffe

smart materials

biomimetic

wise materials

Self-protecting

Es existieren viele Schlagworte!


FunktionswerkstoffeDie Natur als genialer Ingenieur- Biomimetische Werkstoffe

Seitenlinienorgane

Seitenlinienorgan

Lorenzinische Ampullen

Wahrnehmung mechanischer Umwelteinflüsse durch Mechanorezeptoren auf der Haut.

Haptisches WahrnehmungssystemSeitenlinienorgan detektiert Staudruck des Wassers und informiert über Richtung und Geschwindigkeit des Wassers!

Lorenzinische Ampullen (Stefano Lorenzini 1678) befinden sich als Sinneszellen in einer gallertartigen Masse eingebettet unter der Haut.

Haie sind in der Lage sowohl elektromagnetische Felder als auch hydrostatische Wellen und Wärmequellen zu lokalisieren.


Sensoren und Aktoren

Welche Anwendungen gibt es dafür?

Die Natur als genialer Ingenieur- Biomimetische Werkstoffe

Ein Beispiel ist ein Hydrophon. Hierbei handelt es sich um einen wasserdichten Sensor zur Detektion von Druckschwankungen in Flüssigkeiten.

Ausgangspunkt sind piezoelektrische Werkstoffe (meist Bleizirkonattitanat) mit hohem elektromechanischem Kopplungsfaktor.

Meist wählt man Zusammensetzungen von Pb(ZrxTi1-x)O3 mit x ~ 0.53 an der morphotropen Phasengrenze.

Hier koexistieren sowohl die trigonale (rhomboedrische) als auch die tetragonale Phase.

An der Phasengrenze ist der Kopplungsfaktor, die Polarisation als auch die Dielektrizitätszahl maximal.

Sonderfall Hydrophon : Echolot!


Material Selection und Material FunctionsDas Kernproblem- die Interaktion zwischen Material, Funktion, Prozess und

Form

FunktionMaterial überträgt Kräfte, Wärme, registriert optische Signale, leitet elektrischen Strom etc. bei minimalem Gewicht, Kosten usw.

MaterialMetalle, Gläser, Keramiken, Polymere,

Schäume, Komposite etc.

Formz.B. Bulk, Dünnschicht etc.

Prozess


Material SelectionDie Welt der Werkstoffe

[Ashby et al. 2003]


[Ashby et al. 2003]

Material Selection

Ashby-Maps


[Ashby et al. 2003]

Material Selection

Ashby-Maps


Material Selection

Ashby-Maps

[Ashby et al. 2003]


[Quelle: Ashby et al. 2003]

Material SelectionBeispiel 1- Leichtbauweise

Masse des Stabes:

Steifigkeit des Stabes:

Elimination der freien Variable A:

Auswahl eines Materials mit niedrigem ρ/E-Verhältnis!!!


Beispiel 2- HochfrequenzresonatorMaterial Selection

[Ashby et al. 2003]


Sensoren und AktorenEinleitung

Was sind Sensoren und Aktoren ?

Sensoren Aktoren

Sensoren sind (elektronische) Bauelemente zur qualitativen oder quantitativen Detektion einer physikalischen Größe so z.B.

• Wärmestrahlung

• Temperatur

• Feuchtigkeit

• Druck

• Kraft

• Beschleunigung

• Magnetismus

Aktoren oder auch Aktuatoren (engl. Actuator) wandeln eine physikalische Eingangsgröße z.B. eine elektrische Spannung in eine andere Ausgangsgröße z.B. mechanisches Signal um.

Konventionelle Aktoren:

• Hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch etc.

Neuere Aktoren:

• Magnetostriktiv, Piezo, Shape Memory, elektrostriktiv, rheologisch etc.


Sensoren und AktorenArten von Sensoren

• Induktive Sensoren z.B. Metalldetektoren

• Kapazitive Sensoren z.B. Flüssigkeitsstandmessung

• Photoelektrische Sensoren zur Helligkeitsmessung mittels Photowiderständen

• Piezoelektrische Sensoren zur Druckmessung

• Temperatursensoren zur Heizungssteuerung

• Magnetsensoren für Schalter

• Ultraschallsensoren zur Enfernungsmessung (Park-Distance-Control)

• CCD-Sensoren für Digitalkameras

• Chemische Sensoren zur Säuregehaltsbestimmung


Sensoren und AktorenSensorbeispiele

Photowiderstände

Temperatursensoren

CCD-Sensor

Beschleunigungssensor

Ultraschallsensor

Drucksensor

Durchflusssensor


Sensoren und AktorenSensoren in der Fahrzeugtechnik

[Quelle: Sprick, N., Uni Mainz]


Sensoren und AktorenBeispiel I

Wie funktioniert ein Touchscreen?

Grundprinzip:

Analoge Systeme bestehen aus 2 gegenüberliegenden leitfähigen ITO (Indium Tin Oxide) Schichten. Indiumzinnoxid ist ein transparentes und halbleitendes Material.

Beide Schichten werden mit einer konstanten Gleichspannung U versorgt.

Sogenannte „Spacer Dots“ sorgen für nötigen Abstand.

Bei Berührung an einer bestimmten Stelle, berühren sich dort die beiden ITO-Schichten, wodurch ein elektrischer Kontakt entsteht. Durch den Kontaktwiderstand entsteht an jeder Stelle eine unterschiedliche Spannung. Die Spannungsänderung kann zur Koordinatenbestimmung verwendet werden.

Neue Konzepte wie die Dispersive Signal Technology messen die Vibration über Sensoren, die in der Ecke eines Touchscreens angebracht sind. Auch ruhende Gegenstände spielen somit keine Rolle mehr.


Sensoren und AktorenBeispiel I

Die Physik dahinter…

Beispiel eines analog resistiven Touchscreens

Ausgangspunkt:

2 leitfähige Schichten, die sich am Druckpunkt berühren.

In der oberen und unteren Schicht liegt ein Spannungsteiler vor. Das Verhältnis von R1 zu R2 gibt die Position des Druckpunktes in x-Richtung an. Um das Teilerverhältnis zu bestimmen, legt man an Ux1 und Ux2 jeweils eine bekannte Spannung an. Über R1 und R2 fließt damit ein Strom.

An Uy3 und Uy4 kann diese Spannung dann hochohmig abgegriffen werden (Warum hochohmig?).

221

21243

)( RRRUUUUU XX

XYY ⋅+−

+==


Sensoren und AktorenBeispiel II

Die Lambda-SondeWas ist das ?

Die Lambda-Sonde (Bosch 1976) ist ein Messgerät zur Bestimmung des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff während der Verbrennung. Die Messung basiert auf dem Restsauerstoffgehalt im Abgas.

Aufbau:

Aufbau als „Fingersonden“. Form eines Hütchens mit Abgas außen und Referenzluft im Inneren. Sensoren werden in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut. Keramikelement wird von einem metallischen Schutzrohr umgeben. Für den Gaszutritt sorgen kleine Bohrungen.

Messprinzipien:

a) Spannung Festkörperelektrolyt (Nernstsonde)

b) Widerstandsänderung einer Keramik (Widerstandssonde)

Verwendung in Motoren:

Die Sonde wird in Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr direkt dahinter eingeschraubt.



Funktionsweise Nernst-Sonde

Eine Seite des Sensors ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt.

Ab einer Temperatur von ca. 300°C wird die eingesetzte Yttrium-dotierte ZrO2 (Warum Yttrium dotiert?) Keramik leitend für negative Sauerstoffionen.

Ionendiffusion zum Abgas!

Die 2-fach negativ geladenen Sauerstoffionen können bei der gegebenen Temperatur durch die Keramik hindurchtreten.

Ionisation durch Elektronen von Elektroden.

Zwischen den Pt-Elektroden lässt sich die Sondenspannung abgreifen. Ein Steuergerät regelt damit das Luft/Kraftstoffverhältnis.



Die Lambda-Sonde


Sensoren und AktorenBeispiel III

Der Bewegungsmelder

Erfassungsbereich eines passiven Infrarot-Sensors

Bewegungsmelder kann prinzipiell mit elektromagnetischen Wellen, Ultraschall oder Infrarotstrahlung arbeiten. Am häufigsten kommt der Passive-Infrarot-Sensor vor.

Grundlage ist das pyroelektrische Verhalten der Empfängerfläche. Körperwärme von Menschen und Tieren wird damit detektiert.

Linsen bündeln die Infrarotstrahlung vor dem Sensorelement, welches einen segmentierten Erfassungsbereich hat. Erfolgt eine Bewegung quer! zu den Segmenten ändert sich die Temperatur innerhalb einiger Segmente geringfügig, so dass zu den Nachbarsegmenten ein ΔT entsteht.

Dies führt zu einer elektrischen Spannung!

Für die erzielbare Polarisation Pij gilt:

Pij = p ΔT p: pyroelektrische Konstante

[Quelle: Wikipedia]


Sensoren und AktorenBeispiel IV

Piezodrucker

[Quelle: Epson Solutions]


Sensoren und Aktoren Vergleich verschiedener Aktorsysteme

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