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Sensorik für Informatiker

Book Description

In allen Gebieten von Naturwissenschaft, Technik und Medizin besteht die Aufgabe, verschiedenste physikalische oder chemische Größen genau zu messen. Diese Aufgabe übernehmen heute Sensoren, die die Messgröße auf eine elektrische Größe abbilden und so eine computergestützte Erfassung und Verarbeitung der Messdaten ermöglichen. Sensoren finden wir als Massenprodukte auch in allen modernen technischen Erzeugnissen für den privaten Bedarf, im Haushalt, im PKW und im Smartphone.

Die Autoren behandeln ausgehend von den zugrunde liegenden physikalischen Effekten verschiedenartige Sensoren und Sensorsysteme sowie deren Funktionsweise. Sie zeigen, wie Sensoren in die Signalverarbeitungskette eingebunden sind und stellen elektronische Schnittstellen und die Abfrage mittels Mikrocontroller ausführlich dar. Unter Berücksichtigung von Kennwerten und Kennlinien werden die Charakterisierung von Sensoren und Konzepte zur Aufbereitung von Messdaten behandelt. Dazu zählen auch die Vernetzung von Sensoren und der Betrieb solcher Netze.

Das Buch richtet sich an Interessenten, die sich einen fundierten Überblick zum Gebiet der Sensorik verschaffen wollen. Es ist aus Lehrveranstaltungen zur Sensorik und zu eingebetteten Systemen hervorgegangen, die die Autoren an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg gehalten haben bzw. halten. Das Buch ist zum Selbststudium und zur Vertiefung des Lehrstoffes auf den genannten Gebieten geeignet.

Table of Contents

  1. Cover
  2. Titelseite
  3. Impressum
  4. Vorwort
  5. 1. Einführung und Überblick
  6. 2. Sensoren – Begriffe und grundlegende Betrachtungen
    1. 2.1. Sensor – Definition und Signalwandlung
    2. 2.2. Sensor – Sensorsystem – Sensornetzwerk
    3. 2.3. Sensorsignale und Signalverarbeitung
      1. 2.3.1 Art der Sensorausgangssignale
      2. 2.3.2 Analoge und digitale Verarbeitung der Sensorsignale
      3. 2.3.3 Komplexe Verarbeitungsfunktionen
    4. 2.4. Sensoren und Aktoren in einem System
    5. 2.5. Spezifische Anforderungsaspekte
  7. 3. Kennwerte, Grenzwerte und Auswertung von Messungen
    1. 3.1. Vorgaben für Lagerung und Verarbeitung
    2. 3.2. Messprozess und Kennwerte
      1. 3.2.1 Statische Kennwerte und Kennlinien
      2. 3.2.2 Dynamische Kennwerte
      3. 3.2.3 Kalibrierung
    3. 3.3. Auswertung von Messungen
      1. 3.3.1 Fremdeinflüsse und Messabweichungen
      2. 3.3.2 Angaben von Messabweichungen und Toleranzen in Datenblättern
      3. 3.3.3 Ermittlung und Darstellung von Messergebnissen .
  8. 4. Messeffekte und Sensoren für physikalische Messgrößen
    1. 4.1. Thermische Messeffekte und Sensoren
      1. 4.1.1 Temperatursensoren
      2. 4.1.2 Messung von Wärmeströmen
    2. 4.2. Sensoren für mechanische Größen
      1. 4.2.1 Weg- und Winkelsensoren
      2. 4.2.2 Messung von Geschwindigkeit und Beschleunigung
      3. 4.2.3 Messeffekte für Kräfte, Drücke und Drehmomente
      4. 4.2.4 Beschleunigungssensoren
      5. 4.2.5 Drehratesensoren
    3. 4.3. Optische Messeffekte und Sensoren
      1. 4.3.1 Umsetzung eines Lichtsignals vs. Licht als Sonde
      2. 4.3.2 Photoelektrische Effekte
    4. 4.4. Sensoren für Magnetfelder
      1. 4.4.1 Messeffekte für Magnetfeldsensoren
      2. 4.4.2 Magnetfeldsensoren
  9. 5. Chemische Messeffekte und chemische Sensoren
    1. 5.1. Was und wie messen chemische Sensoren?
    2. 5.2. Konzentrationsmessungen in Flüssigkeiten
      1. 5.2.1 Elektrische Verfahren
      2. 5.2.2 Elektrochemische Verfahren und Sensoren
    3. 5.3. Gassensoren
      1. 5.3.1 Elektrische Gassensoren
      2. 5.3.2 Elektrochemische Gassensoren
    4. 5.4. Biosensoren
  10. 6. Sensorsysteme und Messanordnungen
    1. 6.1. Sensorsysteme mit eigener Testsignalquelle
      1. 6.1.1 Akustische Sensorsysteme
      2. 6.1.2 Optische Sensorsysteme
      3. 6.1.3 Optisch-chemische Sensoren für Flüssigkeiten (Optoden)
      4. 6.1.4 Optische Gassensoren
      5. 6.1.5 Magnetische Sensorsysteme und Messanordnungen
    2. 6.2. Mehrsensorsysteme
      1. 6.2.1 Mehrsensorsystem für mechanische Größen
      2. 6.2.2 Korrelationsmesstechnik
      3. 6.2.3 Arrays chemischer Sensoren
  11. 7. Sensorelektronik und Signalvorverarbeitung
    1. 7.1. Primärelektronik
      1. 7.1.1 Operationsverstärker: Verstärkung und Wandlung von Sensorsignalen
      2. 7.1.2 Primärelektronik für passive Sensoren
      3. 7.1.3 Primärelektronik für aktive Sensoren
      4. 7.1.4 Analog-Digital- und Digital-Anlog-Wandlung
    2. 7.2. Schnittstellen der Primärelektronik
      1. 7.2.1 Spannungsversorgung der Primärelektronik
      2. 7.2.2 Analoge Messsignal-Ausgänge
      3. 7.2.3 Digitale Ein- und Ausgänge – Pegelanpassung
    3. 7.3. Hilfssignale zur Steuerung des Messablaufs
      1. 7.3.1 Zeitsignale und deren Erzeugung
      2. 7.3.2 Triggersignale
    4. 7.4. Sensorsignalverarbeitung mittels Mikrocontroller
      1. 7.4.1 CPU, periphere Module und Interruptsystem
      2. 7.4.2 Aufgabenspezifische Auswahl eines Mikrocontrollers
      3. 7.4.3 Batteriebetrieb und energieeffiziente Betriebsweisen
    5. 7.5. AFE – hochintegrierte Sensor-IC’s
    6. 7.6. Sensoren mit integrierter Elektronik
  12. 8. Informationsgewinnung aus Sensorsignalen
    1. 8.1. Analoge elektronische Verfahren
      1. 8.1.1 Anzeige und Registrierung analoger Größen
      2. 8.1.2 Charakteristische Analogwerte
    2. 8.2. Digitale Verfahren
      1. 8.2.1 Mittelwerte
      2. 8.2.2 Numerische Integration und Differentiation
      3. 8.2.3 Berechnung des Messwertes
      4. 8.2.4 Kreuzkorrelation und Autokorrelation
      5. 8.2.5 Programmpakete zur Messdatenanalyse
    3. 8.3. Signalverarbeitung: analog vs. digital - eine Gegenüberstellung
    4. 8.4. Sensordatenfusion
      1. 8.4.1 Was ist Sensordatenfusion?
      2. 8.4.2 Elektronische Nase und Datenfusion mittels künstlichem neuronalem Netz (KNN)179
  13. 9. Sensornetze
    1. 9.1. Drahtgebundene Netzwerke - Feldbusse
      1. 9.1.1 I2C-Bus
      2. 9.1.2 SPI-Bus
      3. 9.1.3 CAN-Bus
      4. 9.1.4 Profibus und Profinet
    2. 9.2. Drahtlose Netzwerke
      1. 9.2.1 Anforderungen für drahtlose Sensornetzwerke
      2. 9.2.2 Wireless LAN, Wi-Fi
      3. 9.2.3 Bluetooth
      4. 9.2.4 Mobilfunk
    3. 9.3. Spezielle Sensornetzwerke
    4. 9.4. Synchronisation
    5. 9.5. Stromversorgung von Sensorfunkknoten
  14. A. Anhang
    1. A.1. Abkürzungsverzeichnis
    2. A.2. Häufig verwendete Formelzeichen
    3. A.3. Angabe physikalischer Größen
    4. A.4. Naturkonstanten
    5. A.5. Normung und Standardisierungsorganisationen
    6. A.6. Begriffe der Messtechnik – DIN 1319
    7. A.7. Schwingungen und Wellen – eine kurze Zusammenstellung
    8. A.8. Das elektromagnetische Spektrum
  15. Literaturverzeichnis
  16. Stichwortverzeichnis
  17. Fußnoten