月: 2023年7月

Was ist ein CO2-Messgerät?

Ein CO2-Messgerät ist ein Sensor, der zur Messung der CO2-Konzentration verwendet wird.

In der Regel wird die nicht-dispersive Infrarot-Absorptionsmethode verwendet, bei der die Eigenschaft von CO2 genutzt wird, bestimmte Infrarot-Wellenlängen zu absorbieren. Es gibt aber auch die Festelektrolyt-Methode, bei der die CO2-Konzentration gemessen wird, indem CO2 mit einem Elektrolyten in Kontakt gebracht und ionisiert wird. Außerdem gibt es die Kapazitätsmethode, bei der die CO2-Konzentration durch Messung der Kapazität gemessen wird, die sich ändert, wenn sich das CO2 in einem Polymer löst und ausdehnt.

Anwendungen von CO2-Messgeräten

Messgeräte sind weit verbreitet; bei der Auswahl eines CO2-Messgeräts sollten die Genauigkeit der CO2-Konzentrationsbestimmung, die Genauigkeit des Korrekturverfahrens, die Anschlussmöglichkeiten und die Größe berücksichtigt werden. Beispiele für den Einsatz sind:

1. Abgasinspektionen in Fabriken
2. Feuermelder in Wohnanlagen
3. CO2-Mengenkontrolle in der Kunststoff-Gewächshaus-Landwirtschaft
4. Abgasmessung in Fahrzeugen
5. Überwachung der CO2-Konzentration in Fahrzeugen und Räumen, z. B. in Klimaanlagen
6. Messung der CO2-Konzentration in Anlagen zur Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken

Funktionsweise von CO2-Messgeräten

Das Funktionsweise von CO2-Messgeräten hängt von der Messmethode ab. Typische Beispiele sind die nichtdispersive Infrarotabsorption, die Festelektrolyt- und die Kapazitätsmethode.

1. Nichtdispersives Infrarot-Absorptionsverfahren

Ein CO2-Messgerät, der auf dem nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsverfahren basiert, besteht aus einer Lichtquelle, einem Behälter mit dem zu messenden Gas, einem optischen Filter und einem Fotosensor. Von der Lichtquelle wird Infrarotstrahlung in den Behälter eingestrahlt und ein optischer Filter lässt nur die spezifischen Wellenlängen durch, die von CO2 absorbiert werden. Bei der Infrarot-Absorptionsmethode wird die CO2-Konzentration gemessen, indem dieses Licht mit einem Lichtempfangselement erfasst wird.

2. Festelektrolyt-Methode

Die Einzelelektrolytmethode besteht aus einem Elektrolyten, einer Karbonatschicht und einer Elektrode. Der Elektrolyt und das CO2 sind durch eine Karbonatschicht getrennt, wodurch die Karbonationen in Bewegung geraten und die Methode misst die CO2-Konzentration durch Messung der durch diese Bewegung verursachten elektromotorischen Kraft.

3. Kapazitätsmethode

Die Kapazitätsmethode besteht aus einer leitfähigen Polymerverbindung und einer Elektrode; wenn sich das CO2 in der Polymerverbindung löst, ändert sich die Kapazität. Die CO2-Konzentration wird durch Messung der Veränderung gemessen.

Weitere Informationen zu CO2-Messgeräten

1. Gegenmaßnahmen gegen neue Coronaviren durch CO2-Messgeräte

Angemessene Belüftung wird als wichtig für Gegenmaßnahmen gegen neue Coronavirus-Infektionen angesehen. Andererseits ist häufiges Lüften z. B. im Winter aufgrund von Trockenheit und niedrigen Umgebungstemperaturen nicht möglich. Daher wird derzeit ein Versuch unternommen, CO2-Messgeräte als Richtschnur für den Lüftungszeitpunkt zu verwenden, wobei ein System zum Lüften auffordert, wenn die CO2-Konzentration einen bestimmten Wert überschreitet und die so genannte “Personendichte” sichtbar machen soll.

Das CO2-Messgerät kann verwendet werden, um den Computer im Sitzungssaal zu alarmieren, wenn die CO2-Konzentration einen bestimmten Wert überschreitet.

2. CO2-Messgerät, das in Verbindung mit einer Smartphone-App die CO2-Konzentration einfach messen kann

In den letzten Jahren hat die Lüftung als Maßnahme gegen neue Coronavirus-Infektionen an Bedeutung gewonnen, und die Nachfrage nach CO2-Messgeräten ist gestiegen. So wurden CO2-Messgeräte entwickelt, die in Verbindung mit einer Smartphone-App auf einfache Weise die Kohlendioxid-Konzentration messen können. Neben CO2 können einige CO2-Messgeräte auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck messen. Die Messergebnisse können auf einem Smartphone oder über eine Wi-Fi-Verbindung in der Cloud angezeigt werden. Mit der Smartphone-App können Sie die verschiedenen Messwerte in Echtzeit anzeigen und die Veränderungen in einer Grafik überprüfen. Das System verfügt auch über eine Funktion, die das Smartphone benachrichtigt, wenn die eingestellten Werte überschritten werden, so dass es nicht notwendig ist, die App häufig zu überprüfen.

Was ist eine CNC-Fräsmaschine?

CNC-Fräsmaschinen sind computergesteuerte Fräsmaschinen.

CNC steht für Computer Numerical Control, was auf Deutsch so viel wie mathematische Computersteuerung bedeutet.

Fräsmaschinen fixieren das Werkstück auf einem Tisch und schneiden es mit Hilfe eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Werkzeugs in die gewünschte Form. Für die verschiedenen Bearbeitungsarten werden unterschiedliche Werkzeuge verwendet, z. B. Planfräsmaschinen und Fasenfräsmaschinen. Produkte mit integrierter Steuereinheit und Fräsmaschine sind sehr teuer, während solche mit einer durch PC-Software gesteuerten Fräsmaschine zu relativ niedrigen Kosten erworben werden können.

Anwendungen von CNC-Fräsmaschinen

CNC-Fräsmaschinen werden in metallverarbeitenden Betrieben eingesetzt. Beispiele für bearbeitete Teile sind:

• Ventile
• Zahnräder
• Lager
• Aluminium-Rahmen
• Teile für Präzisionsgeräte
• Einmalige Teile für Industrieanlagen

Die Bearbeitung mit CNC-Fräsmaschinen umfasst das Bohren von Löchern und das Fräsen von Nuten. CNC-Fräsmaschinen sind in der Lage, Präzisionsarbeiten durchzuführen und eignen sich daher ideal für Produkte, die eine hochwertige Metallbearbeitung erfordern.

Während allgemeine Fräsmaschinen für eine solche Bearbeitung Geschick und Erfahrung erfordern, verfügen CNC-Fräsmaschinen über eine Steuereinheit, die den Bearbeitungsprozess unterstützt. Einige CNC-Fräsmaschinen können mit mehreren Werkzeugen ausgestattet werden und erfordern keinen Werkzeugwechsel.

Grundlagen des CNC-Fräsens

CNC-Fräsmaschinen bestehen hauptsächlich aus einem Steuerrechner, einer Vorrichtung und einem Werkzeug.

1. Steuerrechner

Der Steuerrechner liest Zeichnungsdateien usw. und steuert den Aufspanntisch und die Werkzeuge. Dies erleichtert die Herstellung von Teilen usw. im Vergleich zu einer manuellen Fräsmaschine.

2. Aufspanntisch

Besteht in der Regel aus einem beweglichen Tisch mit zwei Achsen und einem Schraubstock zur Fixierung des zu bearbeitenden Objekts, der während des Betriebs von einem Computer gesteuert wird.

3. Werkzeug

Das Werkzeug bewegt sich in einer Achse und dreht sich während der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit. Es gibt verschiedene Typen, wie z. B. Planfräsen und Schaftfräser.

Bearbeitungsmethoden von CNC-Fräsmaschinen

CNC-Fräsmaschinen können planfräsen, seitenfräsen und nutenfräsen.

1. Planfräsen

Beim Planfräsen wird das Werkzeug mit einem Stirn- oder Schaftfräser senkrecht zum Werkstück angesetzt. Dies ist die häufigste Methode.

2. Seitenfräsen

Das verwendete Werkzeug ist dasselbe wie bei der ersten Methode, aber die Art und Weise, wie das Werkzeug am Werkstück angesetzt wird, ist anders. Bei dieser Methode erfolgt die Bearbeitung durch paralleles Ansetzen des Werkzeugs.

3. Nutenfräsen

Hierbei wird das Werkzeug mit einem Schaftfräser senkrecht zum Werkstück angesetzt und in Richtung der Nut bewegt.

Weitere Informationen zu CNC-Fräsmaschinen

1. Software für das CNC-Fräsen

In der Software für das CNC-Fräsen müssen 2D- und 3D-CAD-Zeichnungen usw. in CNC-Fräsbewegungsanweisungsdaten umgewandelt werden. Die CNC-Fräsmaschinen-Bewegungsanweisungsdaten werden als G-Code bezeichnet.

Der G-Code ist eine Zeitreihe von detaillierten Bewegungsbefehlen, wie z. B. Bewegungszeitpunkt, Drehgeschwindigkeit der Bewegungsachsen, Werkzeugverschiebung usw. Er kann als separate Software auf dem PC oder als Zusatz zur 3D-CAD-Software, z. B. als Teil der CAD-Funktion, bereitgestellt werden.

2. Verwendung von CNC-Fräsmaschinen und zu beachtende Punkte

Beim Einsatz einer CNC-Fräsmaschine gibt es einige Punkte zu beachten:

• Bei falscher Werkstückbefestigung oder Werkzeugmontage kann das Werkstück oder das Werkzeug wegfliegen.
• Je nach verwendetem Werkstückmaterial und den Spezifikationen der Fräsmaschine müssen die Bearbeitungsbedingungen entsprechend eingestellt werden.
• Wenn der Verfahrweg bei der Umstellung auf G-Code mit dem Fräsmaschinengehäuse oder anderen Bauteilen kollidiert, kann dies zu Schäden am Werkstück oder zu Verletzungen führen.
• CNC-Fräsmaschinen mit ATC (Auto Tool Changer)-Funktionalität können das verwendete Werkzeug während der Bearbeitung wechseln, es ist jedoch darauf zu achten, dass die Kombination des für die G-Code-Umwandlung verwendeten Werkzeugs und des tatsächlich eingestellten Werkzeugs nicht voneinander abweichen.
• Da das Werkstück mit einem von oben herabhängenden Werkzeug bearbeitet wird, sind einige Geometrien für die Bearbeitung nicht geeignet.

Was ist eine CMOS-Kamera?

Eine CMOS-Kamera ist eine Kamera mit einem CMOS-Bildsensor.

CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor (komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) und CMOS-Bildsensoren wandeln das durch das Kameraobjektiv einfallende Licht in elektrische Signale zur Datenübertragung um. Obwohl CCD-Bildsensoren anfangs in Bezug auf Empfindlichkeit und Bildqualität beliebter waren, haben Verbesserungen bei CMOS-Bildsensoren diesen Trend nun umgekehrt, was die Anzahl der ausgelieferten Geräte angeht.

Anwendungen von CMOS-Kameras

CMOS-Kameras werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, von Verbraucherprodukten bis hin zu industriellen Anwendungen. Die meisten Webcams und Mobiltelefonkameras sind heute CMOS-Kameras, die sich durch hohe Bildraten und Pixelzahlen auszeichnen. CMOS-Kameras lösen auch CCD-Kameras ab, da sie weniger Strom verbrauchen und das Rauschverhalten und die Farbwiedergabe weiter verbessert wurden.

Aufgrund ihres geringeren Stromverbrauchs im Vergleich zu CCD-Bildsensoren werden sie auch in digitalen Spiegelreflexkameras eingesetzt. Einige Unternehmen entwickeln auch kleine HD-Videokameras für den Privatgebrauch, die CMOS-Kameras verwenden.

Funktionsweise von CMOS-Kameras

Eine CMOS-Kamera ist eine Kamera mit einem CMOS-Bildsensor, dessen Funktionsweise in vielerlei Hinsicht dem eines CCD-Bildsensors ähnelt.

In einem CCD-Bildsensor empfängt eine Fotodiode Licht und erzeugt je nach dessen Intensität eine elektrische Ladung, die jedoch für die Bildverarbeitung zu schwach ist. Zur Verstärkung des Signals vor der Bildverarbeitungsschaltung wird ein Verstärker eingesetzt. Ein wesentliches Merkmal von CCDs ist, dass dieser Prozess nach dem Bucket-Relay-Verfahren erfolgt. Der Mechanismus zur Umwandlung der Ladung in ein elektrisches Signal mit Hilfe von Fotodioden und Verstärkern ist derselbe, aber der CMOS-Bildsensor zeichnet sich dadurch aus, dass es für jede Fotodiode einen Verstärker gibt.

Die Ladung jedes Elements wird vom Verstärker vorab verstärkt, bevor sie an den Bildverarbeitungsteil weitergeleitet wird, was den Vorteil hat, dass sie weniger anfällig für Störungen ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass das System in einem einzigen Halbleiter untergebracht ist, was eine kostengünstige Massenproduktion ermöglicht.

Weitere Informationen zu CMOS-Kameras

1. Unterschiede zwischen CMOS-Kameras und CCD-Kameras

CMOS- und CCD-Kameras unterscheiden sich stark in ihren Signalausleseverfahren und Strukturen.
Eine CCD-Kamera hat eine Schaltungsschicht, in der sich die Auslesesignalleitungen auf der Fotodiode und einer Mikrolinsenanordnung befinden. Die Schaltungsschicht ist dünn und das von der Mikrolinsenanordnung gebündelte Licht erreicht die Fotodiode effizient, während CMOS den Nachteil einer dickeren Schaltungsschicht und eines längeren Lichtwegs zur Fotodiode hat, was zu einer geringeren Empfindlichkeit führt. Im Jahr 2009 kündigte SONY jedoch eine rückseitig beleuchtete CMOS-Technologie an, bei der die dicke Schaltkreisschicht intakt bleibt, das Substrat umgedreht wird, die Siliziumsubstratschicht weggeschnitten wird und auf dieser Seite ein Mikrolinsen-Array entsteht. Dabei handelt es sich um den rückwärtig beleuchteten CMOS-Sensor, der inzwischen zu einer gängigen CMOS-Technologie geworden ist.

2. CMOS-Kameras für Smartphones

In den letzten Jahren ist die CMOS-Sensorindustrie im Einklang mit der zunehmenden Pixeldichte von Smartphones dramatisch gewachsen und die Bildqualität nähert sich der von Spiegelreflexkameras. Die Bildqualität von Smartphones nähert sich der von Spiegelreflexkameras an. DXOmark, eine internationale Website, hat einen Artikel mit dem Titel „Smartphone vs. Kameras: Schließen der Lücke bei der Bildqualität veröffentlicht, in dem Smartphones und Spiegelreflexkameras aus verschiedenen Perspektiven bewertet werden“.

Was ist eine Kaltkathoden-Leuchtstofflampe (CCFL)?

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) sind eine Art von Leuchtstofflampen, die als Kaltkathodenröhren bezeichnet werden.

Herkömmliche Leuchtstofflampen werden als Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL) bezeichnet. Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) emittieren Elektronen aus dem Emitter, indem sie die Elektroden erhitzen, während CCFL Elektronen emittieren und ohne Erhitzung der Elektroden leuchten.

Da sie keinen Glühfaden besitzen, haben sie eine längere Lebensdauer als HCFLs. Darüber hinaus haben CCFLs den Vorteil einer hohen Farbwiedergabe und Leuchtdichte sowie einer helleren Beleuchtung bei geringerem Stromverbrauch als HCFLs.

Anwendungen von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL)

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) werden seit mehr als 40 Jahren als Lichtquelle eingesetzt und sind von der Haushaltsbeleuchtung bis zu industriellen Anwendungen weit verbreitet. Zu den spezifischen Anwendungen gehören:

• Hintergrundbeleuchtung für Monitore
• Leselichtquelle für Faxgeräte und Scanner
• Dekorative Lichtquelle für Vergnügungseinrichtungen
• Beleuchtung in Büros und gewerblichen Einrichtungen
• Beleuchtung in öffentlichen Einrichtungen wie Krankenhäusern und Pflegeheimen

Wird hauptsächlich in Bereichen eingesetzt, in denen Blinklicht (EIN/AUS) erforderlich ist. Als Lichtquelle eignet sie sich aufgrund ihrer hohen Farbwiedergabeeigenschaften für Orte, an denen sich Menschen aufhalten.

Funktionsweise der CCFLs

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) und Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL) sind beides Leuchtstofflampen, aber CCFL zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Glühfaden nicht erhitzen, während HCFL den Glühfaden durch Anlegen einer Hochspannung erhitzen. Wenn der Glühfaden eine bestimmte Temperatur erreicht, werden Elektronen freigesetzt, die auf den Quecksilberdampf treffen und ultraviolettes Licht aussenden.

Das ultraviolette Licht trifft auf die fluoreszierende Farbe an der Innenseite der Glasröhre und wird in sichtbares Licht umgewandelt.

Der Metallbecher gibt direkt Elektronen ab, wenn eine hohe Spannung angelegt wird. Die ultraviolette Strahlung wird dann von der Leuchtfarbe in sichtbares Licht umgewandelt, wie bei den HCFLs.

Die Elektronen sind sehr klein, mit einem Radius von etwa 0,282 x 10-5 nm. In der Glasröhre sind Inertgase wie Ar oder Ne eingeschlossen, da die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes mit Quecksilberdampf gering ist, wenn Luft in der Glasröhre eingeschlossen ist.

Weitere Informationen zu Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL)

1. Lebensdauer von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL)

Die Lebensdauer einer Leuchte ist als „die gesamte Beleuchtungszeit, während der der Gesamtlichtstrom auf 70 % des ursprünglichen Lichtstroms zurückgeht“. Demnach beträgt die Lebensdauer von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) etwa 40 000 Stunden.

Die Lebensdauer von Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL) liegt dagegen bei etwa 12 000 Stunden und ist damit aufgrund des Verschleißes des Glühfadens und der Wärmeentwicklung im Inneren der Röhre kürzer als die der CCFL. Die Lebensdauer von LED-Beleuchtung beträgt etwa 40 000 Stunden und ist damit fast genauso lang wie die von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL).

2. Stromverbrauch von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL)

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) sind energiesparende Geräte mit einem geringeren Stromverbrauch als Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL): Der Stromverbrauch von Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL) wird auf etwa 32 W geschätzt. Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) verbrauchen dagegen etwa 24 W.

Das liegt daran, dass Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) im Gegensatz zu HCFL die Glühwendel nicht erwärmen, sodass kein Wärmeverlust durch die Glühwendel entsteht. Wenn die LED-Beleuchtung hingegen die gleiche Beleuchtungsstärke wie die oben erwähnten stabförmigen Leuchtstofflampen liefert, beträgt der Stromverbrauch 22 W. In Bezug auf den Stromverbrauch ist die LED-Beleuchtung den Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) überlegen.

3. CCFLs und die RoHS-Richtlinie

Im Jahr 2006 trat in Europa die RoHS-Richtlinie (Rose) in Kraft, die für „Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten“ steht.

Im Überblick handelt es sich um eine Verordnung, die den Verkauf von Produkten in Europa verbietet, die mehr als eine bestimmte Menge an beschränkten Stoffen enthalten. Die Richtlinie umfasst derzeit 10 Stoffe, darunter auch Quecksilber. Der festgelegte Wert für Quecksilber liegt bei 1000 ppm oder weniger.

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) und (HCFL) enthalten immer Quecksilber in der Glasröhre. Aufgrund des Images von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) und unter dem Gesichtspunkt der Produktleistung hat sich der Hauptstrom der Beleuchtung jedoch von (CCFL) auf LEDs verlagert.

Was ist eine CCD-Kamera?

Eine CCD-Kamera ist eine Kamera, die als Bildsensor einen CCD-Sensor verwendet, ein Akronym für Charge Coupled Device (ladungsgekoppeltes Gerät).

In den letzten Jahren wurden sie durch technologische Innovationen durch CMOS-Sensoren ersetzt, die in Bezug auf Leistung und Kosten überlegen sind. CCD-Kameras werden jedoch nach wie vor in einigen Forschungsanwendungen eingesetzt; sie neigen dazu, einen stärkeren Kontrast in Fotos zu erzeugen als CMOS und werden von einigen Hobbyfotografen bevorzugt.

Anwendungen von CCD-Kameras

CCD-Sensoren werden in einigen kompakten Digitalkameras verwendet, aber die Entwicklung von CCD-Sensoren für den allgemeinen Gebrauch ist fast abgeschlossen. Sie werden in Zukunft wahrscheinlich durch CMOS-Sensoren ersetzt werden.

In der Forschung sind sie jedoch oft nützlich. So werden sie beispielsweise in Kombination mit Mikroskopen bei der Abbildung von Biomolekülen eingesetzt. Die CCD-Kameras zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit aus.

Darüber hinaus kann die Nachweisempfindlichkeit bis zum 1000-fachen gesteigert werden, indem das Nachweissignal mit einem elektronenvervielfachenden (EM) CCD verstärkt wird.

Neuere CMOS-Sensoren können aufgrund der verbesserten Quantenausbeute auch Einzelmolekül-Fluoreszenzdetektion abdecken. Wenn die Einzelmolekülfluoreszenz jedoch schwach ist, sind EMCCD-Kameras mit Signalverstärkung vorteilhafter.

Funktionsweise von CCD-Kameras

Eine CCD-Kamera verwendet ein Objektiv oder ein anderes optisches System, um ein Bild auf einem CCD-Sensor zu erzeugen, der aus einer Anordnung von Fotodioden (CCD-Elementen) besteht; der CCD-Sensor ist in einen oberen und einen unteren Teil für den Lichtempfang und einen unteren Teil für die Übertragung unterteilt.

Wenn ein Photon auf ein lichtempfangendes CCD-Element trifft, werden durch den photoelektrischen Effekt Elektronen erzeugt, und das CCD-Element speichert eine elektrische Ladung. Die in jedem CCD-Element angesammelte Ladung wird zur Übertragung auf das CCD übertragen, und der Strom wird durch einen Verstärker verstärkt. Der verstärkte Strom wird von der Steuereinheit der CCD-Kamera berechnet und in Bilddaten umgewandelt.

Bei EMCCDs wird an die übertragene Ladung eine Spannung angelegt, bevor sie an den Verstärker weitergeleitet wird, um die Elektronenverdopplung durchzuführen. Dies beruht auf dem Phänomen der Kollisionsionisation. Mit elektronenverdoppelnden EMCCDs können auch einzelne Photonen nachgewiesen und die Anzahl der Photonen gemessen werden.

Der Ladungstransfer findet jedoch erst dann statt, wenn sich in allen CCDs einer Reihe genügend Ladung angesammelt hat. Dies ist der ratenbegrenzende Faktor für die Übertragungsrate.

Arten von CCD-Kameras

1. Art des CCD-Elements

Full-Frame-Typ
Vollbild-CCDs sind Standard-CCDs und haben die höchste Empfindlichkeit und den größten Dynamikbereich für physikalische und chemische Messungen. Ein lichtabschirmender Shutter ist erforderlich, um zu verhindern, dass während des Auslesens Licht auf das Element fällt.

Frame-Transfer-Typ
Beim Frame-Transfer-Typ gibt es zwei CCD-Typen, einen für den Lichtempfang und einen für die Bildspeicherung. Das empfangene Bild wird zur vorübergehenden Speicherung auf das CCD übertragen und die gespeicherte Ladung wird bei der nächsten Belichtung ausgelesen. Während ein Verschluss nicht erforderlich ist, wird ein CCD mit der doppelten Fläche benötigt.

Interline-Typ
Der Interline-CCD-Typ ist ein Typ, bei dem die lichtempfangenden und speichernden Bereiche in einem Element angeordnet sind. Diese Art von CCD-Element wird in Videokameras verwendet. Ein Verschluss ist nicht erforderlich, aber die Blende ist kleiner als bei einer Vollbildkamera.

2. Arten von CCD-Kameras

Spektroskopische Kameras
Diese Kamera wird verwendet, um das Spektralspektrum eines Bildes zu erfassen. Die spektralen Eigenschaften des Bildes innerhalb des Aufnahmebereichs können auf einmal gemessen werden. Zu den Anwendungen gehören die Diagnose der Frische von Lebensmitteln, die Erkennung von Fremdkörpern und im industriellen Bereich die Kontrolle der Produktfarbe.

Kamera für die biologische Beobachtung
Gekühlte CCD-Kameras werden häufig zur Beobachtung der winzigen Bewegungen lebender Organismen und zur Beobachtung von Bildern bei extrem niedrigen Lichtverhältnissen eingesetzt, wenn sie an ein Mikroskop angeschlossen sind. Von Bedeutung sind hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung und hohe Geschwindigkeit.

Röntgenkameras
CCD-Kameras für Röntgenaufnahmen werden zunehmend im weichen bis harten Röntgenbereich eingesetzt, wo die hohe Empfindlichkeit und der große Dynamikbereich von CCD-Kameras anderen Detektoren überlegen sind.

Hochgeschwindigkeitskameras
Kameras, die mehr als 100 Bilder pro Sekunde liefern können, werden als Hochgeschwindigkeitskameras bezeichnet. Sie werden zunehmend in industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei Crashtests in der Automobilindustrie und bei der Kontrolle von Produktionsprozessen in Fabriken.

Weitere Informationen zu CDD-Kameras

Unterschiede zu CMOS-Kameras

CCD-Sensoren leiten die Ladung von den Elektroden nach außen ab wie ein Eimerrelais, während CMOS-Sensoren in jedem Pixel eine Fotodiode haben und das Signal direkt aus dem Pixel auslesen, während sie mit einem Halbleiterschalter mit hoher Geschwindigkeit schalten. Daraus ergeben sich die folgenden Unterschiede:

CCD = Stromverbrauch x / Bildqualität ◎ / Preis x
CMOS = Leistungsaufnahme ◎ / Bildqualität ◎ / Preis ◎

CCDs haben also eine bessere Bildqualität und CMOSs sind preiswerter.

Was ist eine CBN-Schleifscheibe?

CBN-Schleifscheiben werden zum Schleifen und Polieren mit kubischem Bornitrid (CBN) verwendet.

CBN ist ein künstliches Mineral, das in Bezug auf Härte und Verschleißfestigkeit nur von Diamant übertroffen wird. CBN-Schleifscheiben haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und werden häufig für die Bearbeitung von hitzebeständigem Stahl, gehärtetem legiertem Stahl für Maschinenteile und Lagerstahl verwendet. Der Einsatz von CBN-Schleifscheiben ist notwendig, da die Bearbeitung mit herkömmlichen Schleifscheiben schwierig ist.

Außerdem ist es wirtschaftlicher, CBN-Schleifscheiben anstelle von Diamantschleifscheiben zu verwenden, da sie im Vergleich zu Diamantschleifscheiben relativ kostengünstig sind. CBN-Schleifscheiben erfordern jedoch ein hohes Maß an technischem Geschick, so dass für ihre Verwendung Fachwissen und Erfahrung erforderlich sind. Darüber hinaus müssen bei der Verwendung von Schleifscheiben das zu bearbeitende Werkstück, der Werkstoff, die Form und die Korngröße der Schleifscheibe berücksichtigt werden.

CBN-Schleifscheiben werden häufig in Branchen eingesetzt, in denen hohe Präzision erforderlich ist, und ihre Eigenschaften können zur Verbesserung der Bearbeitungsqualität genutzt werden. Allerdings ist Vorsicht geboten, da die Bearbeitungsqualität bei unsachgemäßer Verwendung beeinträchtigt werden kann.

Anwendungen von CBN-Schleifscheiben

CBN-Schleifscheiben werden hauptsächlich für die Bearbeitung von Eisenmetallen verwendet, die sehr hart und äußerst schwierig zu bearbeiten sind, da CBN in Bezug auf Härte und Verschleißfestigkeit an zweiter Stelle nach Diamant steht, sich aber auch durch seine hervorragende Hitzebeständigkeit auszeichnet.

Zu den spezifischen Anwendungen gehören die Herstellung von Motorteilen und Lagern für Kraftfahrzeuge, die Bearbeitung von Turbinenschaufeln in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Schneiden von Werkzeugmaschinenspindeln, Hochspindeln und Werkzeugen. CBN-Schleifscheiben werden auch für die Oberflächenbearbeitung von Werkzeugen und die Bearbeitung elektronischer Bauteile eingesetzt, bei denen eine hohe Schleifpräzision erforderlich ist, da sie eine hochwertige Oberfläche erzeugen.

CBN-Schleifscheiben sind aufgrund ihrer Langlebigkeit und ihrer Fähigkeit, mit hoher Präzision zu schleifen und zu polieren, ein wichtiges Werkzeug für die Bearbeitung hochwertiger Bauteile. CBN-Schleifscheiben eignen sich dagegen eher für die Bearbeitung von Eisenmetallen, da sie eine geringe Hitzebeständigkeit aufweisen und bei hohen Temperaturen während der Bearbeitung erweichen.

Funktionsweise von CBN-Schleifscheiben

CBN-Schleifscheiben setzen sich aus drei Elementen Schleifkörner, Bindung und Poren zusammen. Zu den Schleifkörnern gehören CBN und Diamant, während für die Bindung Kunstharz, Metall und keramische Materialien verwendet werden.

Es gibt fünf Faktoren, die die Leistung von Schleifscheiben beeinflussen: Schleifkorn, Korngröße, Bindungsgrad, Konzentrationsgrad, Bindemittel und Bindungsgrad. CBN-Schleifscheiben sind nach Diamant die härteste und verschleißfesteste Schleifscheibe und zeichnen sich durch ihre hohe Hitzebeständigkeit aus, die bis zu 130 °C betragen kann, während Diamant bereits bei 70 °C zu oxidieren beginnt.

Aus diesem Grund wird es im Allgemeinen bei der Bearbeitung von Eisenmetallen eingesetzt. Im Laufe des Schleifens nutzen sich die Schleifkörner ab und verlieren ihre Schärfe, so dass sie entfernt und durch neue Körner ersetzt werden müssen.

Es ist jedoch auch wichtig, dass die Schleifkörner durch eine Bindung fest an ihrem Platz gehalten werden, damit sie nicht herausfallen. Daher ist es wichtig, die geeignete Schleifscheibe entsprechend den Bearbeitungsbedingungen auszulegen und auszuwählen, wobei die fünf Faktoren der Schleifscheibe zu berücksichtigen sind.

Weitere Informationen zu CBN-Schleifscheiben

1. Abrichten von CBN-Schleifscheiben

Beim Abrichten werden unerwünschte Bindungen und Späne von der Schleifscheibenoberfläche entfernt, so dass die Schleifkörner hervortreten können. Die Korngröße des Stocks sollte 1~2 Ränge feiner sein als die Korngröße der keramischen CBN-Schleifscheiben und es wird ein Bindungsgrad von E~H empfohlen.

Eine wirksame Abrichtmethode besteht darin, den Stab fest gegen die Schleifscheibe zu drücken und die Menge der Schleifflüssigkeit so einzustellen, dass während des Abrichtens ein Schlamm auf der Scheibe entsteht. Dies ist ein sehr wichtiges Verfahren für den effektiven Einsatz und die hervorragende Leistung von CBN-Schleifscheiben.

2. Konzentration der CBN-Schleifscheiben

Die Konzentration ist der prozentuale Anteil der CBN-Schleifkörner, die in der Schleifkornschicht enthalten sind. Bei gleicher Korngröße bedeutet eine höhere Konzentration mehr Schleifkörner und eine niedrigere Konzentration weniger Schleifkörner. Für den richtigen Einsatz von CBN-Schleifscheiben ist es wichtig, eine CBN-Schleifscheibe mit der richtigen Konzentration für den zu bearbeitenden Werkstoff und die Art der Bearbeitung auszuwählen.

Die Definition lautet [4,4 ct/cm³ = Konzentration 100] und ein Konzentrationsbereich von 20-200 wird üblicherweise verwendet. Es gibt drei Arten von Bindungen: Harzbindung, Metallbindung und keramische Bindung. Bei der galvanischen Abscheidung gibt es keine Norm für den Konzentrationsgrad, da es nur eine Schleifkornschicht gibt.

3. Verstopfung von CBN-Schleifscheiben

Schleifscheiben werden beim Schleifen in vier Zustände eingeteilt: normal, verschüttet, verstopft und geschliffen. Bei einer verstopften Schleifscheibe sind die Poren der Schleifscheibe verstopft und die Späne können nicht mehr entweichen.

Es gibt zwei Ursachen für verstopfte Poren. Erstens, wenn Späne von der Bearbeitung weicher und klebriger Materialien wie Aluminium und rostfreiem Stahl an der Schneide des Schleifkorns haften; zweitens, wenn beim Trockenschleifen von Guss oder Stein die Späne schlecht abfließen und in den Poren stecken bleiben.

In beiden Fällen erhöht sich der Schleifwiderstand, und es kann zu Vibrationen kommen. Fertige Oberflächen mit Schleifscheiben in diesem Zustand sind oft matschig und klappernd. Zu den häufigsten Spänen, die beim Schleifen mit einer verstopften Schleifscheibe entstehen, gehören geschmolzene Späne. Diese Späne entstehen, wenn die Schleifscheibe nicht scharf genug ist und die Späne durch die Schleifhitze geschmolzen werden, was zu einer kugelförmigen oder halbkugelförmigen Form führt.

Was ist eine ALD-Anlage?

ALD-Anlagen (Atomic Layer Deposition) werden zur Herstellung dünner Schichten im Nanobereich durch Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet.

Da Atomschichten Schicht für Schicht abgeschieden werden, zeichnet sich ALD durch seine Fähigkeit aus, die Schichtdicke und die dichte, schrittweise Schichtbildung genau zu steuern. Sie hat jedoch den Nachteil einer langsamen Abscheidungsgeschwindigkeit.

Bei der ALD-Abscheidung wird eine Reihe von metallorganischen Materialien verwendet, von denen viele für den menschlichen Körper schädlich und hoch pyrophor sind. Die Handhabung erfordert Fachwissen und äußerste Sorgfalt.

Anwendungen von ALD-Anlagen

ALD-Anlagen werden häufig in der Halbleiter- und FPD-Produktion eingesetzt. In den letzten Jahren ist diese Technologie für die DRAM-Produktion unverzichtbar geworden. Im Folgenden werden Beispiele für mit ALD-Anlagen hergestellte Dünnschichten genannt.

1. Gate-Oxidschicht

Dünne Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante, die für die Herstellung von Transistoren wie z. B. FETs benötigt werden. Es werden hauptsächlich Oxidschichten wie Al2O3 und ZrO2 verwendet.

2. Sperrschicht

Der durch ALD gebildete Nitridfilm wird manchmal als Barrierefilm bezeichnet und wird verwendet, um die Diffusion von Übergangsmetallen wie Cu-Verdrahtungsmaterial zu verhindern, um Metallverunreinigungen und eine Verschlechterung der Isolierung um die Verdrahtung herum zu vermeiden.

3. Anti-Permeationsfilm

Hierbei handelt es sich um eine dünne Folie, die das Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Substanzen in das Harzgrundmaterial und das OLED-Panel verhindert. Indem sie das Eindringen von Fremdstoffen verhindert, trägt sie zur Qualitätserhaltung und zu einer längeren Lebensdauer bei.

Am häufigsten werden sie, wie oben beschrieben, in der Industrie, aber auch in der biomedizinischen Industrie eingesetzt. Typische Beispiele sind künstliche Gelenke und künstliche Knochen, wo eine biokompatible Membran auf metallischen künstlichen Knochen gebildet wird, um eine Abstoßung zu verhindern. Sie wird auch zur Beschichtung von Medikamenten verwendet, um deren Wirkungsdauer zu beeinflussen.

Funktionsweise der ALD-Anlagen

Die ALD-Anlage ist mit einer Vakuumkammer aus Edelstahl oder Aluminium ausgestattet und besteht aus einem Materialgaszufuhrteil, einem Materialgasabfuhrteil und einer Steuereinheit zur Kontrolle des Prozesses.

Das metallorganische Material, das als Vorläufer verwendet wird, wird als Vorläufer bezeichnet. Die Vorstufe wird zunächst in die Vakuumkammer eingeführt und auf der Oberfläche des Substrats adsorbiert. Anschließend wird die Kammer einmal evakuiert, um überschüssigen Precursor zu entfernen, der dann oxidiert und nitriert wird, um eine dünne Schicht zu bilden.

In diesem Zyklus, der mehrmals wiederholt werden kann, um einen Film abzuscheiden, wird eine Atomschicht gebildet. Auch der Spülvorgang ist beim ALD-Beschichtungsprozess sehr wichtig, da verschiedene Ausgangsstoffe und Oxidationsquellen in der Kammer verbleiben und sich negativ auf die Schichtqualität auswirken können.

Um die Effizienz der Abscheidung zu verbessern, kann das Substrat erhitzt oder durch Plasma unterstützt werden. Die Heizmethode wird als thermische ALD und die plasmaunterstützte Methode als Plasma-ALD bezeichnet.

Weitere Informationen zu ALD-Anlagen

1. Unterschiede zwischen ALD und CVD- / PVD-Verfahren

CVD ist die Abkürzung für Chemical Vapor Deposition (Chemische Gasphasenabscheidung) und PVD ist die Abkürzung für Physical Vapor Deposition (Physikalische Gasphasenabscheidung).

ALD wird auch als eine Art von CVD bezeichnet, weil dabei Gase verwendet werden. Der Hauptunterschied besteht jedoch darin, dass sich bei ALD Filme Schicht für Schicht ablagern können, im Gegensatz zu CVD, bei dem sich Verbindungen wie SiO2 und SiNx durch Gaszersetzung wie Staub ablagern.

Bei der PVD wird das Abscheidungsmaterial erhitzt, gesputtert, mit Ionenstrahlen bestrahlt oder mit einem Laser im Vakuum bestrahlt, um das Abscheidungsmaterial zu verdampfen oder in einen Partikelzustand zu streuen, der sich dann auf dem Objekt festsetzt und abscheidet.

Bei der Abscheidung von Schichten mittels ALD ist es möglich, Schichten auf Strukturen abzuscheiden, die schmaler und tiefer sind als solche, die mittels CVD und PVD abgeschieden werden. Insbesondere bietet die ALD-Technologie überlegene Abscheidungsmöglichkeiten, wenn es darum geht, Schichten auf Poren mit einer Größe von weniger als 100 nm abzuscheiden, da ALD-Gase tief in die Schicht eindringen können, wodurch die Technologie sehr gut geeignet ist, Schichten auf Objekten mit einer großen Anzahl kleiner Poren abzuscheiden.

2. Marktgröße für ALD-Anlagen

Der Weltmarkt für ALD wird bis 2028 voraussichtlich 6,5 Mrd. USD erreichen. Der größte Teil des Marktes für die Dünnschichtabscheidung entfällt derzeit auf die CVD. In diesem Zusammenhang spielt die ALD-Technologie eine sehr wichtige Rolle im Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen und verfügt über eine vergleichsweise hohe Abscheidungsleistung und Produktionsgeschwindigkeit. Die ALD-Technologie ist daher ein Markt, der in Zukunft weiter wachsen wird und auf seiner einzigartigen Bedeutung aufbaut.

Was ist ein Rasterkraftmikroskop?

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein Mikroskop, das die feine Oberflächenstruktur einer Probe sichtbar macht, indem es die Kraft, die zwischen einer als Cantilever bezeichneten Sonde und den Atomen der Probenoberfläche wirkt, erfasst und abtastet.

Rastertunnelmikroskope haben eine längere Geschichte in der Mikroskopie zur Visualisierung von Oberflächenmikrostrukturen, sind aber auf die Messung von leitenden Proben beschränkt, da die Messung durch die Erzeugung eines Tunnelstroms zwischen dem Cantilever und der Probe erfolgt. Die Rasterkraftmikroskope zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, ein breites Spektrum von Objekten zu messen, von leitenden Proben über Isolatoren bis hin zu biologischen Proben.

Anwendungen von Rasterkraftmikroskopen

Die Rasterkraftmikroskope werden vor allem in der Industrie zu Inspektionszwecken eingesetzt, da sie Oberflächenunregelmäßigkeiten im Nanobereich (1 nm = 10-9 m) bis hin zum Angström-Bereich (0,1 nm) aufdecken können.

Es wird beispielsweise zur Messung der Gleichmäßigkeit und Rauheit der Oberflächenbehandlung von Halbleitersubstraten und zur Prüfung der Korrosion und des Abbaus von Elektrodenbeschichtungen mit Metallen wie Gold und Kupfer eingesetzt. In der Forschung wird es auch zur minimalinvasiven Beobachtung von Reaktionen und strukturellen Veränderungen in Biomolekülen wie z. B. Proteinen eingesetzt.

Kontaktmodus

Ein Modus, bei dem die Probenoberfläche manipuliert wird, während eine Rückkopplung angewendet wird, um eine konstante Abstoßungskraft zwischen dem Cantilever und der Probe aufrechtzuerhalten; der gängigste Messmodus in Rasterkraftmikroskopen.

Berührungsloser Modus / dynamischer Modus

Der Cantilever wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen gebracht. Die Amplitude ändert sich, wenn sich die Spitze des Cantilevers der Probe nähert. Dieser Modus nutzt dieses Phänomen aus, um die Amplitude konstant zu halten und die Verschiebung in Richtung der Probenhöhe zu erfassen.

Funktionsweise der Rasterkraftmikroskope

Die Rasterkraftmikroskope messen die Auslenkung eines Cantilevers durch die zwischen dem Cantilever und der Probenoberfläche wirkenden atomaren Kräfte. Die gebräuchlichste Methode zur Erfassung der Auslenkung ist die Verwendung einer Fotodiode, die die Auslenkung des Cantilevers erfasst.

Wenn der Cantilever durch die interatomaren Kräfte von der Probenoberfläche angezogen wird, ändert sich der Winkel des reflektierten Lichts, was erkannt wird und eine Rückkopplung erfolgt, um den Winkel des Cantilevers wieder zu korrigieren. Das Kontrollmuster zu diesem Zeitpunkt wird als die Form der Oberflächenunregelmäßigkeiten sichtbar gemacht. Diese Erfassungsmethode wird als optische Hebelmethode bezeichnet.

Bei der anderen Methode wird ein Piezoelement verwendet, um den Ausleger in Schwingungen zu versetzen und die Amplitude, Phase und Frequenz dieser Schwingungen zu überwachen. Die Messung erfolgt durch Abtasten des Cantilevers mit Rückkopplung, damit diese konstant bleiben.

Eine andere Methode ist die direkte Messung der aufgebrachten Kraft durch Messung der Biegung des Cantilevers. Diese Methode wird vor allem bei der Untersuchung biologischer Proben wie Zellen eingesetzt, wobei in diesem Fall jedoch nicht die Oberflächentopografie, sondern die Lokalisierung von Membranproteinen oder die mechanische Beschaffenheit von Zellen gemessen wird.

Durch Rasterkraftmikroskope nachweisbare Kräfte 

Zu den Kräften, die mit Hilfe der Rasterkraftmikroskope nachgewiesen werden können, gehören Anziehungs-, Abstoßungs-, Adhäsions- und Bindungskräfte zwischen der Endspitze und der Oberfläche des Materials. Die Rasterkraftmikroskope werden auch im Bereich der Katalyse eingesetzt. Beispiele für Anwendungen sind unten aufgeführt:

• Atomare Beobachtung von einkristallinen Zeolithen und geschichteten Tonmineralen
• An den Spaltflächen von Glimmer, die atomar glatt sein können, lassen sich Palladiumpartikel bis zu einer Größe von wenigen Nanometern auf darauf abgeschiedenen Palladiumkatalysatoren beobachten

Die Rasterkraftmikroskope erfordern keine spezielle Vorbehandlung des Materials, um Messungen durchzuführen, und können in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, auch in Luft und Flüssigkeiten. Diese Eigenschaft wird genutzt, um Adsorptionsphänomene und chemische Reaktionsprozesse in lokalisierten Oberflächenbereichen zu messen. Ein Beispiel für eine Messung ist die Messung von Adsorptionsprozessen weicher organischer Verbindungen. Durch Modifizierung der Spitze können selektiv auch andere Kräfte als die interatomaren Kräfte gemessen werden. So kann die Sonde beispielsweise mit einer organischen Monoschicht chemisch modifiziert werden, um als chemischer Sensor zu fungieren.

Kraftkurve der Rasterkraftmikroskope

Kraftkurven werden zur Messung von Wechselwirkungskräften verwendet. Die Kraftkurve wird gemessen, indem die Sonde durch Hin- und Herbewegen wiederholt mit dem zu messenden Material in Kontakt gebracht und von ihm weggezogen wird. Bei dieser Hin- und Herbewegung wird die Kraftkurve als Funktion der Kraft und des Abstands zwischen der Spitze und der Materialoberfläche gemessen.

Aufgrund der Instabilität des Auslegers folgt die Kraftkurve möglicherweise nicht der ursprünglichen Kraftkurve, wodurch die tatsächliche Kraftkurve verzerrt wird. Um dieses Problem zu vermeiden, muss ein geeigneter Ausleger für die Kraftausrichtung gewählt werden.

Bei Kraftkurvenmessungen in Luft werden sowohl van-der-Waals-Kräfte als auch auf Oberflächenspannung basierende Adhäsions- und Meniskuskräfte vom Kontakt bis zum Abriss gemessen. In einigen Fällen wurden Kraftkurvenmessungen zur Säure-Base-Charakterisierung von Festkörperoberflächen eingesetzt.

Unterschiede zwischen Rasterkraftmikroskopen und STM

STM hat eine hohe atomare Auflösung im Ultrahochvakuum, ist aber sehr empfindlich gegenüber nicht leitenden Materialien und gegenüber Oberflächenverunreinigungen des Materials an der Luft. Die Rasterkraftmikroskope erfassen die Kraft zwischen dem Material und der Sonde, so dass sie auch nichtleitende Materialien und Messungen an der Luft erfassen können.

Was ist eine Analog-Digital-Messkarte?

Eine Analog-Digital-Messkarte ist eine Karte (Board), die die Funktion hat, verschiedene analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln.

Analog-Digital-Messkarte sind je nach eingebetteter Anwendung mit einer Vielzahl von Schnittstellen erhältlich.

Es sind Produkte mit Schnittstellen wie PCI-Express für eingebaute PCs, FMC für den Anschluss als Tochterkarte an andere Karten und USB erhältlich.

Anwendungen von Analog-Digital-Messkarten

Analog-Digital-Messkarten werden hauptsächlich zur Umwandlung der von verschiedenen Sensoren erfassten analogen Signale in digitale Signale zur Verarbeitung durch Mikrocontroller und andere Geräte verwendet.

1. Messung und Überwachung

Analog-Digital-Messkarten werden verwendet, um physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Licht und Schall in digitale Signale umzuwandeln. So können Signale von Sensoren erfasst, gemessen und überwacht werden. Beispiele sind die Qualitätskontrolle von Produkten in Fabriken und die Umweltüberwachung.

2. Datenerfassung und -verarbeitung

Analog-Digital-Messkarten werden zur Datenerfassung und -verarbeitung eingesetzt, indem sie analoge Signale in digitale Signale umwandeln. Beispiele hierfür sind die Erfassung von EKG-Signalen in medizinischen Geräten und die Tonverarbeitung.

3. Signalverarbeitung

Analog-Digital-Messkarten werden für die digitale Signalverarbeitung eingesetzt. Beispiele hierfür sind Sprachfilterung und Wellenformanalyse.

Funktionsweise der Analog-Digital-Messkarten

Die A/D-Wandlung wandelt ein analoges Signal in den folgenden Schritten in ein digitales Signal um: Abtastung, Quantisierung und Kodierung:

1. Abtastung

Der Amplitudenwert eines Analogsignals, das ein kontinuierliches Signal ist, wird in diskreten Perioden abgetastet. Die Periode zu diesem Zeitpunkt wird als Abtastperiode bezeichnet und wird hauptsächlich durch das Symbol Ts ausgedrückt. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Abtastperiode: Ts = 1/Fs (Fs: Abtastfrequenz)

2. Quantifizierung 

Die in diskreten Perioden (Abtastperiode) durch Abtastung gewonnenen Amplitudenwerte werden zu diskreten Amplitudenwerten angenähert, damit sie in digitale Signale umgewandelt werden können. Der durch die Quantisierung entstehende Fehler wird als Quantisierungsfehler bezeichnet und durch folgende Gleichung ausgedrückt:

Quantisierungsfehler = (abgetasteter Wert) – (quantisierter Wert)

Die Quantisierung wird durch den Vergleich der Eingangsspannung mit einer Referenzspannung erreicht. Je nach Vergleichsmethode ermöglichen einige Verfahren eine hochpräzise Umwandlung und eine schnelle Abtastung.

3. Kodierung

Die durch Quantisierung angenäherten diskreten Amplitudenwerte werden in einen Binärcode von 0 und 1 umgewandelt.

Arten von Analog-Digital-Messkarten

Die Typen von Analog-Digital-Messkarten werden nach der AD-Umwandlungsmethode eingeteilt. Die drei wichtigsten Methoden sind:

1. AD-Wandlermethode mit sukzessivem Vergleich

Die AD-Wandlermethode mit sukzessivem Vergleich wandelt ein analoges Signal in ein digitales Signal um, indem sie Spannungen vergleicht. Das Analogsignal wird mit der zu vergleichenden Spannung verglichen und die Bits werden nacheinander ermittelt.

Die maximale Auflösung beträgt 18 Bit und die maximale Abtastrate liegt bei 10 MHz. Ein externer Anti-Aliasing-Filter ist erforderlich.

2. Delta-Sigma-AD-Wandlungsverfahren

Delta-Sigma-AD-Wandlungsverfahren verwenden die Delta-Sigma-Modulationstechnik, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Die maximale Auflösung beträgt etwa 32 Bit und ist damit die Methode mit der höchsten Auflösung, aber die maximale Abtastrate ist mit etwa 1 MHz niedrig.

3. Pipeline-AD-Wandlungsverfahren

Bei Pipeline-AD-Wandlungsverfahren wird das analoge Signal in mehrere Stufen in einer Pipeline-Struktur aufgeteilt und parallel verarbeitet, um eine Hochgeschwindigkeitsumwandlung zu erreichen. Jede Stufe wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um und leitet es an die nächste Stufe weiter.

Die maximale Abtastrate beträgt 1 GHz und die maximale Auflösung etwa 16 Bit. Die Kosten sind aufgrund der Komplexität des Schaltkreises höher.

Auswahl einer Analog-Digital-Messkarte

1. Auflösung

Wählen Sie eine Analog-Digital-Messkarte mit der erforderlichen Auflösung. Wenn die Karte z. B. für eine Rückkopplungssteuerung verwendet werden soll, sollte dies anhand der Genauigkeitsanforderungen bestimmt werden.

2. Abtastperiode

Bestimmen Sie die Abtastperiode entsprechend dem Frequenzbereich des Zielsignals. Theoretisch ist eine Abtastperiode des doppelten Frequenzbereichs erforderlich, in der Praxis wird jedoch das Zehnfache empfohlen.

3. Anzahl der Eingangskanäle

Es gibt eine breite Palette von Analog-Digital-Messkarten, von solchen mit einem Kanal bis zu solchen mit mehreren hundert Kanälen. Je nach Anzahl der zu messenden Signale muss die erforderliche Anzahl von Eingangskanälen gewählt werden.

4. Eingangs-/Ausgangsschnittstellen

Analog-Digital-Messkarten verfügen häufig über Schnittstellen wie USB, FMC oder PCI Express. Je nach verwendeter Schnittstelle muss die entsprechende Schnittstelle ausgewählt werden.

5. Software

Analog-Digital-Messkarten werden manchmal mit einer Messsoftware geliefert. Diese Software bietet Funktionen wie Datenerfassung, -verarbeitung, -anzeige und -speicherung. Je nach Verwendungszweck ist zu prüfen, ob die Software über die erforderlichen Funktionen verfügt.

6. Kosten

Je nach erforderlicher Genauigkeit, Abtastrate und Anzahl der Eingangskanäle sollte eine angemessene Preisspanne gewählt werden.

Was ist ein 5-Phasen-Schrittmotor?

Schrittmotoren sind Motoren, deren Drehwinkel und -geschwindigkeit durch Impulssignale gesteuert werden können und die eingesetzt werden, wenn eine genaue Positionierung erforderlich ist.

Unter den Schrittmotoren werden diejenigen mit einem Bewegungswinkel von 0,72° pro Impuls als 5-Phasen-Schrittmotoren bezeichnet.

Anwendungen von 5-Phasen-Schrittmotoren

Schrittmotoren werden in Maschinen eingesetzt, die eine besonders genaue Positionierungsgenauigkeit erfordern.

Zu den spezifischen Anwendungen gehören Maschinen zur Fabrikautomatisierung, Anlagen zur Herstellung von Halbleitern, Flachbildschirmen (FPD) und Fotovoltaik-Panels, Analysegeräte, medizinische Geräte und Präzisionstische, bei denen eine besonders präzise Steuerung erforderlich ist.

Funktionsweise der 5-Phasen-Schrittmotoren

Schrittmotoren bestehen wie gewöhnliche Motoren hauptsächlich aus einem „Rotor“ und einem „Stator“. Um jedoch den Drehwinkel mit hoher Präzision steuern zu können, weisen Rotor und Stator die folgenden Merkmale auf:

1. Rotor

Der Rotor ist der Läufer im Inneren des Schrittmotors. Der Rotor besteht aus vier Teilen: zwei Rotoren, einem Magneten und einer Rotorwelle, die jeweils 50 kleine Zähne auf ihrem Umfang hat.

Die kleinen Zähne sind gleichmäßig verteilt, so dass eine Teilung 7,2° beträgt. Die Rotoren sind mit einem Versatz von 3,6° zueinander zusammengebaut und enthalten einen Permanentmagneten. Durch diese Struktur wird ein Rotor auf den N-Pol und der andere auf den S-Pol magnetisiert.

2. Stator

Der Stator befindet sich auf der Außenseite des Rotors und hat, wie bei den meisten Motoren, Wicklungen, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Insbesondere bei den 5-Phasen-Schrittmotoren wird eine Reihe von „Phasen“ in gegenüberliegenden Positionen quer über den Rotor gebildet, von Phase A bis Phase E, also insgesamt zehn in einer Reihe.

Der Stator jeder Phase hat ebenfalls kleine Zähne mit einer Teilung von 7,2°.

Merkmale von 5-Phasen-Schrittmotoren

Schrittmotoren haben die folgenden Hauptmerkmale:

• Sie sind kompakt und können hohe Drehmomente erzeugen, die ein häufiges Starten und Stoppen ermöglichen.
• Auch bei Stillstand des Motors wird eine Haltekraft erzeugt, so dass die Stillstandsposition auch ohne mechanische Bremse gehalten werden kann.
• Im Vergleich zu Servomotoren mit gleichen Montagewinkelabmessungen können größere Trägheitslasten angetrieben werden.

Neben diesen Eigenschaften werden 5-Phasen-Schrittmotoren z.B. zum Antrieb von XY-Tischen für Mikroskope eingesetzt, da diese mit hoher Präzision positioniert werden können.

Weitere Informationen zu 5-Phasen-Schrittmotoren

1. Arbeitsweise von 5-Phasen-Schrittmotoren

1. An die Phase A des Stators wird ein Strom angelegt, um den S-Pol zu erregen. Die kleinen Zähne des Rotors, die zum N-Pol magnetisiert sind, ziehen sich dann gegenseitig an und bleiben stehen. Der Versatz zwischen den kleinen Zähnen des benachbarten B-Phasenpols und den kleinen Zähnen des am S-Pol magnetisierten Rotors auf der anderen Seite beträgt 0,72°.
2. Dann wird ein Strom durch die Phase B des Stators geleitet und der Stator wird zum N-Pol erregt. Die kleinen Zähne der Pole der B-Phase und die kleinen Zähne des Rotors, die um 0,72° versetzt waren, ziehen sich gegenseitig an, und der Stator dreht sich um 7,2° und bleibt stehen.

Durch Wiederholung des obigen Vorgangs wird der Rotor jedes Mal um 7,2° gedreht, wodurch sich die Phase des zu erregenden Stators nacheinander von Phase A zu Phase B und dann zu Phase C ändert. Das elektrische Signal für die Steuerung ist „ein Impuls für einen Zyklus Strom ein/aus“; wenn ein Impuls eingegeben wird, dreht sich die Ausgangswelle des Motors um einen Schrittwinkel (0,72° für 5 Phasen).

2. Verdrahtung von 5-Phasen-Schrittmotoren

Die Eigenschaften eines 5-Phasen-Schrittmotors hängen von der Art der Verdrahtung ab. Bei der Entwicklung eines Geräts ist es wichtig, die Verdrahtungsmethode zu kennen, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung zu erreichen, das für das Gerät geeignet ist. Zu den Verdrahtungsmethoden gehören Stern-, Fünfeck- und neue Fünfeckverdrahtung.

3. Steuerung von 5-Phasen-Schrittmotoren

Schrittmotoren maximieren ihre Eigenschaften, indem sie ihre Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit einstellen. Die Einstellung der Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit wird im Allgemeinen als Betriebsmuster bezeichnet. Es gibt zwei verschiedene Muster:

Selbstanlaufendes Betriebsmuster
Dies ist ein Betriebsmuster, bei dem der Motor von Anfang bis Ende mit der gleichen Drehzahl läuft. Es wird als Rechteckbetrieb bezeichnet, weil die Kurve von Drehzahl und Zeit ein Quadrat (Rechteck) bildet.

Trapezförmiges Betriebsmuster
Hierbei handelt es sich um ein Betriebsmuster, bei dem der Motor zunächst mit einer langsamen Drehzahl läuft, dann allmählich auf eine hohe Drehzahl ansteigt, eine gewisse Zeit lang mit maximaler Drehzahl läuft, dann allmählich auf eine niedrige Drehzahl abfällt und schließlich stoppt. Er wird als Trapezantrieb bezeichnet, weil die Kurve von Drehzahl und Zeit eine Trapezform bildet.

Die Drehgeschwindigkeit des Motors wird durch folgende Faktoren bestimmt:

• Eigenschaften des gewählten Motors
• Masse des zu bewegenden Objekts
• Reibung, die auf das zu bewegende Objekt wirkt
• die dem Motor zugeführte Leistung
• Art der Verkabelung des Motors
• Art der Erregung des Motors

Die Eigenschaften des gewählten Motors, insbesondere die Trägheit des Rotors, sind von größter Bedeutung, vor allem, wenn der Motor in Anwendungen eingesetzt wird, die eine schnelle Bewegung und ein schnelles Anhalten erfordern.

4. Unterschiede zwischen 5-Phasen-Schrittmotoren und 2-Phasen-Schrittmotoren

5-Phasen-Schrittmotoren sind im Allgemeinen extrem teuer im Vergleich zu 2-Phasen Schrittmotoren, aber 5-Phasen-Schrittmotoren bieten einen kleineren Motordrehwinkel pro Schritt (die kleinste Einheit der Drehanweisung an den Motor) als 2-Phasen Schrittmotoren. Daher werden 5-Phasen-Schrittmotoren gewählt, wenn die folgenden Eigenschaften erforderlich sind:

• Wenn Sie den Motor in einem kleinen Winkel drehen wollen.
• Wenn ein niedriger Geräuschpegel erforderlich ist.