Drucksensor--Physikalische Messeffekte
Zur Erfassung der Messgröße werden verschiedene physikalische Messeffekte ausgenutzt. Daher unterteilt man die Drucksensoren in folgende Typen:
Piezoresistiver Drucksensor
Er enthält eine Membran mit aufgebrachten elektrischen Widerständen und wird überwiegend als Silizium-Drucksensor hergestellt. Über eine druckabhängige Verformung der Membran und darauf eindiffundierte verformungsabhängige Widerstände kommt es zur Ausbildung einer Widerstandsänderung. Diese Sensoren werden, da sie selbst keine elektrische Spannung bei Druckänderung erzeugen sondern nur ihren elektrischen Widerstand verändern, auch als Passivdrucksensor bezeichnet.
Passive Drucksensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Zwar zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine starke Temperaturabhängigkeit, da aber dieser Einfluss auf alle Widerstände gleich ist, kann er durch eine differenz-bildende elektrische Schaltung unwirksam gemacht werden.
Piezoelektrischer Drucksensor
Bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Dies nennt man den piezoelektrischen Effekt. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich an der Oberfläche elektrische Ladung proportional zur Kraft bildet. Die Ladung wird durch einen Ladungsverstärker in eine proportionale elektrische Spannung umgeformt. Die unmittelbare Messung der Spannung ist nicht möglich, da die geringe erzeugte Ladung sehr gut isoliert sein muss und keine elektrische Kapazitätsänderung erfahren darf. Jeder beliebige Druck kann durch Ableitung (Kurzschluss) der Ladung als Nullpunkt des Ladungsverstärkers eingestellt werden; dadurch werden Druckänderungen direkt messbar.
Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Soll der Sensor in der Druckmesstechnik verwendet werden, muss erst über eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgeformt werden.
Vorteile piezoelektrischer Sensoren:
unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen
keine äußere Spannungsversorgung nötig
hohe Empfindlichkeit
mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt
für Druckschwankungen bei hoher Frequenz geeignet bis > 100 kHz.
Nachteile piezoelektrischer Sensoren:
ohne Ladungsverstärker nicht verwendbar
für statische Messungen wie Wasserstand oder Luftdruck nicht verwendbar, weil selbst bei höchstmöglicher Isolation eine eigentlich konstante Ladung im Laufe von Stunden abfließt.
Drucksensoren im Vakuumbereich
Hier wird zusätzlich verwiesen auf
Wärmeleitungsvakuummeter nach Pirani, Messbereich ca. 100 … 0,1 Pa
Ionisations-Vakuummeter mit Kaltkathode nach Penning, Messbereich ca. 10−1 … 10−5 Pa
Ionisations-Vakuummeter mit Glühkathode nach Bayard-Alpert, Messbereich ca. 10−1 … 10−10 Pa
Frequenzanaloger Drucksensor
Dieser ist meistens ein piezoresistiver Drucksensor, der den Druck mittels Dehnungsmessstreifen misst und schaltungstechnisch um einen Ringoszillator erweitert ist. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist direkt proportional zu dem angelegten Druck.
Drucksensor mit Hallelement
Er arbeitet nach dem Hall-Effekt, wobei bei Druckbelastung das Magnetfeld um das Hall-Element geändert wird.
Kapazitiver Drucksensor
Kapazitive Drucksensoren enthalten zwei in einen Siliziumchip eindiffundierte Kondensatoren. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abstände einer Membran zu zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazitäten der Kondensatoren gegenläufig verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist.
Induktiver Drucksensor
Induktive Drucksensoren arbeiten mit einem induktiven Wegaufnehmer, welcher mit einer Membran verbunden ist. Druckänderungen erzeugen eine Kraft auf die Membran und bewegen diese. Dadurch ändert sich die Position eines Eisenankers gegensinnig in zwei Spulen: In einer steigt die Induktivität, in der anderen sinkt sie. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Diese Anordnung kann auch durch einen Differentialtransformator ersetzt werden.
Weitere Sensoren
Für die Erfassung kleiner Druckschwankungen, wie sie beim Schalldruck auftreten, werden weitere Messeffekte und ihre Anwendungen in Sensoren des Mikrophons unter dem zugehörigen Stichwort aufgeführt.
Piezoresistiver Drucksensor
Er enthält eine Membran mit aufgebrachten elektrischen Widerständen und wird überwiegend als Silizium-Drucksensor hergestellt. Über eine druckabhängige Verformung der Membran und darauf eindiffundierte verformungsabhängige Widerstände kommt es zur Ausbildung einer Widerstandsänderung. Diese Sensoren werden, da sie selbst keine elektrische Spannung bei Druckänderung erzeugen sondern nur ihren elektrischen Widerstand verändern, auch als Passivdrucksensor bezeichnet.
Passive Drucksensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Zwar zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine starke Temperaturabhängigkeit, da aber dieser Einfluss auf alle Widerstände gleich ist, kann er durch eine differenz-bildende elektrische Schaltung unwirksam gemacht werden.
Piezoelektrischer Drucksensor
Bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Dies nennt man den piezoelektrischen Effekt. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich an der Oberfläche elektrische Ladung proportional zur Kraft bildet. Die Ladung wird durch einen Ladungsverstärker in eine proportionale elektrische Spannung umgeformt. Die unmittelbare Messung der Spannung ist nicht möglich, da die geringe erzeugte Ladung sehr gut isoliert sein muss und keine elektrische Kapazitätsänderung erfahren darf. Jeder beliebige Druck kann durch Ableitung (Kurzschluss) der Ladung als Nullpunkt des Ladungsverstärkers eingestellt werden; dadurch werden Druckänderungen direkt messbar.
Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Soll der Sensor in der Druckmesstechnik verwendet werden, muss erst über eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgeformt werden.
Vorteile piezoelektrischer Sensoren:
unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen
keine äußere Spannungsversorgung nötig
hohe Empfindlichkeit
mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt
für Druckschwankungen bei hoher Frequenz geeignet bis > 100 kHz.
Nachteile piezoelektrischer Sensoren:
ohne Ladungsverstärker nicht verwendbar
für statische Messungen wie Wasserstand oder Luftdruck nicht verwendbar, weil selbst bei höchstmöglicher Isolation eine eigentlich konstante Ladung im Laufe von Stunden abfließt.
Drucksensoren im Vakuumbereich
Hier wird zusätzlich verwiesen auf
Wärmeleitungsvakuummeter nach Pirani, Messbereich ca. 100 … 0,1 Pa
Ionisations-Vakuummeter mit Kaltkathode nach Penning, Messbereich ca. 10−1 … 10−5 Pa
Ionisations-Vakuummeter mit Glühkathode nach Bayard-Alpert, Messbereich ca. 10−1 … 10−10 Pa
Frequenzanaloger Drucksensor
Dieser ist meistens ein piezoresistiver Drucksensor, der den Druck mittels Dehnungsmessstreifen misst und schaltungstechnisch um einen Ringoszillator erweitert ist. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist direkt proportional zu dem angelegten Druck.
Drucksensor mit Hallelement
Er arbeitet nach dem Hall-Effekt, wobei bei Druckbelastung das Magnetfeld um das Hall-Element geändert wird.
Kapazitiver Drucksensor
Kapazitive Drucksensoren enthalten zwei in einen Siliziumchip eindiffundierte Kondensatoren. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abstände einer Membran zu zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazitäten der Kondensatoren gegenläufig verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist.
Induktiver Drucksensor
Induktive Drucksensoren arbeiten mit einem induktiven Wegaufnehmer, welcher mit einer Membran verbunden ist. Druckänderungen erzeugen eine Kraft auf die Membran und bewegen diese. Dadurch ändert sich die Position eines Eisenankers gegensinnig in zwei Spulen: In einer steigt die Induktivität, in der anderen sinkt sie. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Diese Anordnung kann auch durch einen Differentialtransformator ersetzt werden.
Weitere Sensoren
Für die Erfassung kleiner Druckschwankungen, wie sie beim Schalldruck auftreten, werden weitere Messeffekte und ihre Anwendungen in Sensoren des Mikrophons unter dem zugehörigen Stichwort aufgeführt.
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