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Aufbau und Test eines Hochdrucksensors mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen

Wang, Yi :
Aufbau und Test eines Hochdrucksensors mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2009)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und Test eines Hochdrucksensors mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen, der für Messen von 500 bar bis 5.000 bar geeignet ist.

Die Hauptaufgabe ist Halbleiter-DMS aufzubauen, auf einen Verformungskörper zu applizieren und eine entsprechende Verschaltung der Widerstände zu realisieren, um einen Hochdrucksensor zu entwickeln.

Es sind metallische Verformungskörper (der Fa. HBM GmbH und) piezoresistive Halbleiter-Drucksensorelemente (der Fa. Aktiv Sensor GmbH) vorhanden. Die Drucksensoren werden modifiziert, um sie als Halbleiter-DMS verwenden zu können.

Der am Institut vorhandene Verformungskörper ist ein metallischer Quaderkörper mit einer langen Bohrung, in die Hochdruck von bis 500 bar eingeleitet wird. Die dadurch hervorgerufenen mechanischen Spannungen werden auf die auf dem Verformungskörper applizierten Halbleiter-DMS übertragen und in elektrische Widerstandsänderungen gewandelt. Die gezielte Verschaltung der Piezowiderstände wandelt die Widerstandsänderungen in eine elektrische Spannung, die als Ausgangssignal des aufgebauten Hochdrucksensors gemessen wird.

Durch FEM-Simulation werden zuerst die zum Entwurf wichtigen Parameter der Halbleiter-DMS bestimmt: die Anzahl, Geometrie, optimale Positionierungen und Orientierungen der Halbleiter-DMS auf dem Verformungskörper.

Die Halbleiter-DMS werden durch Abdünnen und Sägen der vorhandenen Druckmesselemente hergestellt. Als Lösung werden jeweils vier einzelne Halbleiter-DMS verschiedener Anordnungen kombiniert und entweder ein- oder beidseitig auf der Mittelachse auf dem Verformungskörper appliziert und zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet. Auf jedem Halbleiter-DMS ist ein Piezowiderstand, der je nach Anordnung längs oder quer orientiert ist.

Insgesamt werden zwei Hochdrucksensoren aufgebaut, einer mit einseitiger und einer mit zweiseitiger Halbleiter-DMS Applikation.Für beide aufgebauten Hochdrucksensoren werden messtechnische Untersuchungen bei Nenndruck von 500 durchgeführt. Mit einer Konstantspannungsspeisung von 5 V ergibt sich der Übertragungsfaktor zu 0,2051 mV/bar. Das entspricht der normierten Empfindlichkeit von 41,02 µV/(V·bar). Weitere wichtige ermittelte technische Daten sind der Linearitätsfehler 1,75 % und der Hysteresefehler 4,59 %. Mit diesem in der Studienarbeit erstellten Konzept, ein Hochdrucksensor aus metallischen Verformungskörper und angepassten Halbleiter-DMS wird sowohl die Empfindlichkeit als auch die Überlastfestigkeit im Vergleich zu handelsüblichen Hochdrucksensoren mit metallischen DMS erhöht.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2009
Autor(en): Wang, Yi
Titel: Aufbau und Test eines Hochdrucksensors mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und Test eines Hochdrucksensors mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen, der für Messen von 500 bar bis 5.000 bar geeignet ist.

Die Hauptaufgabe ist Halbleiter-DMS aufzubauen, auf einen Verformungskörper zu applizieren und eine entsprechende Verschaltung der Widerstände zu realisieren, um einen Hochdrucksensor zu entwickeln.

Es sind metallische Verformungskörper (der Fa. HBM GmbH und) piezoresistive Halbleiter-Drucksensorelemente (der Fa. Aktiv Sensor GmbH) vorhanden. Die Drucksensoren werden modifiziert, um sie als Halbleiter-DMS verwenden zu können.

Der am Institut vorhandene Verformungskörper ist ein metallischer Quaderkörper mit einer langen Bohrung, in die Hochdruck von bis 500 bar eingeleitet wird. Die dadurch hervorgerufenen mechanischen Spannungen werden auf die auf dem Verformungskörper applizierten Halbleiter-DMS übertragen und in elektrische Widerstandsänderungen gewandelt. Die gezielte Verschaltung der Piezowiderstände wandelt die Widerstandsänderungen in eine elektrische Spannung, die als Ausgangssignal des aufgebauten Hochdrucksensors gemessen wird.

Durch FEM-Simulation werden zuerst die zum Entwurf wichtigen Parameter der Halbleiter-DMS bestimmt: die Anzahl, Geometrie, optimale Positionierungen und Orientierungen der Halbleiter-DMS auf dem Verformungskörper.

Die Halbleiter-DMS werden durch Abdünnen und Sägen der vorhandenen Druckmesselemente hergestellt. Als Lösung werden jeweils vier einzelne Halbleiter-DMS verschiedener Anordnungen kombiniert und entweder ein- oder beidseitig auf der Mittelachse auf dem Verformungskörper appliziert und zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet. Auf jedem Halbleiter-DMS ist ein Piezowiderstand, der je nach Anordnung längs oder quer orientiert ist.

Insgesamt werden zwei Hochdrucksensoren aufgebaut, einer mit einseitiger und einer mit zweiseitiger Halbleiter-DMS Applikation.Für beide aufgebauten Hochdrucksensoren werden messtechnische Untersuchungen bei Nenndruck von 500 durchgeführt. Mit einer Konstantspannungsspeisung von 5 V ergibt sich der Übertragungsfaktor zu 0,2051 mV/bar. Das entspricht der normierten Empfindlichkeit von 41,02 µV/(V·bar). Weitere wichtige ermittelte technische Daten sind der Linearitätsfehler 1,75 % und der Hysteresefehler 4,59 %. Mit diesem in der Studienarbeit erstellten Konzept, ein Hochdrucksensor aus metallischen Verformungskörper und angepassten Halbleiter-DMS wird sowohl die Empfindlichkeit als auch die Überlastfestigkeit im Vergleich zu handelsüblichen Hochdrucksensoren mit metallischen DMS erhöht.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Drucksensor Kenngrößen, Drucksensor Wirkprinzipien, Drucksensoren Piezoresistiv, Halbleiter DMS, Hochdruckmesselement, Verformungskörper
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 14:03
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1711

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 17-02-2009

Ende Datum: 24-07-2009

Querverweis: 17/24 EMKS 1617, 17/24 EMKS 1630

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1711
Gutachter / Prüfer: Heinickel, Dipl.-Ing. Patrick ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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