Strömungssensor; PC-Maus; Flow-Sensor; kalorimetrische Sensor; USB Maus; COMSOL; Navier-Stockes-Gleichung; Wärmeleitungsgleichung; Regelung zu Unterdrückung des Spannungsversatzes
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Abstract:
Miniaturisierte kalorimetrische Strömungssensoren sind in der Lage kleinste Strömungen zu detektieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese so eingesetzt, dass die Position einer PC-Maus bestimmt werden kann. Auf der PC-Mausunterseite ist dabei ein Hohlraum integriert, indem bei einer Bewegung eine Luftströmung entsteht, die vom Sensor in ein geeignetes Signal umgesetzt wird. Das Ziel war einerseits die hervorragende Sensorempfindlichkeit an einem ungewöhnlichen jedoch anschaulichen Einsatzbeispiel zu demonstrieren und andererseits, die Nachteile gängiger PC-Mäuse zu beseitigen.<br />Nach einer Einleitung, in der die Sensoren und das neue Design vorgestellt werden, befasst sich das zweite Kapitel mit dem Aufbau und den Eigenschaften der Strömungssensoren. Mittels eines analytischen Modells werden verschiede Betriebsmoden und ihre Kennlinien untersucht und mit den Ergebnissen umfassender Labormessungen verglichen.<br />COMSOL Multiphysics® ist ein ideales Werkzeug um das Verhalten eines zukünftigen Prototyps zu simulieren (drittes Kapitel). Es lassen sich damit die optimalen Abmessungen des Hohlraumes sowie Auswirkungen von verschiedenen Parametern auf das Ausgangssignal bestimmen. Mit einem dreidimensionalen Modell wurde die Richtcharakteristik der PC-Maus untersucht und mit dem wenig rechenintensiven zweidimensionalen Modell sind die optimalen Abmessungen bestimmt sowie Parametervariationen durchgeführt worden.<br />Das vierte Kapitel befasst sich mit der Auswerteelektronik, dem Gehäuse und den Leiter-platten. Der Strömungssensor besitzt fünf aktive Elemente, wobei vier Temperatursenso-ren eine Wheatstonesche Messbrücke bilden und ein Metallfilmwiderstand als Wärmequelle dient. Nach einer Verstärkung der Brückenspannung wird diese digitalisiert und an den Mikrocontroller zur weiteren Datenverarbeitung übergeben.<br />Neben der Hardware ist auch entsprechende Software vorhanden, die zwei Aufgaben übernehmen muss. Darunter fallen die Maßnahmen zur Fehlerminimierung, wie Mittelung sowie Spannungsversatz- und Kennlinienkorrektur. Andererseits müssen diese Ergebnisse mit einem geeigneten Protokoll über die USB-Schnittstelle zum Computer geschickt wer-den. Diese beiden Aspekte sind im fünften Kapitel samt den zugehörigen USB-Klassen und einem einfachen Testsystem beschrieben.<br />Das vorletzte Kapitel gibt einen Überblick über die Charakterisierung der PC-Maus und stellt die Mess- und Simulationsergebnisse gegenüber.<br />Einige Verbesserungsvorschläge werden abschließend im fünften Kapitel besprochen.<br />Mit dieser Arbeit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass das Konzept der auf Strömungs-sensoren basierenden PC-Maus nicht nur zur Demonstration, sondern auch für kommer-zielle Zwecke einsetzbar ist. Das Gerät zeichnet sich durch eine sehr geringe Leistungsaufnahme sowie große Auflösung aus und kann auf jeder Art von Unterlage eingesetzt werden. Mit diesen Eigenschaften kann die PC-Maus mit gängigen Geräten konkurrieren und kann diese in mancher Hinsicht sogar übertreffen.
