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Professur Mess- und Sensortechnik
Forschungsschwerpunkte

Impedanzspektroskopie für Mess- und Sensorsysteme

In der Impedanzspektroskopie wird die Abhängigkeit der komplexen Impedanz von der Frequenz genutzt, um Effekte mit unterschiedlicher Frequenzabhängigkeit zu erkennen und zu untersuchen. Die dabei entstehende größere Menge an Messdaten bietet erweiterte Möglichkeiten, um unzugängliche Messgrößen zu ermitteln und Messgrößen genauer zu bestimmen. So können innerhalb einer Batterie einzelne Alterungsmechanismen verfolg werden oder bei Bodenfeuchtesensoren zusätzlich die Bodenart ermittelt werden. Typische Anwendungen sind die zerstörungsfreie Prüfung von Festkörpern, elektrochemischen und biochemischen Systemen.
 
Die Nutzung dieser Methode in Sensorsystemen stellt eine besondere Herausforderung aufgrund der begrenzten Ressourcen, der Einwirkung wechselnder Einsatzbedingungen und der Notwendigkeit einer unüberwachten automatischen online-Signalverarbeitung dar.
Bild: Kapazitive und induktive Sensoren
 

 Mit den Entwicklungen in der Mikroelektronik und moderner Methoden Signalverarbeitung lassen sich eingebettete Systeme realisieren, die sowohl die Messung von Impedanzspektren als auch die Signalverarbeitung realisieren können. Dies öffnet interessante Möglichkeiten für den breiten Einsatz der Impedanzsspektroskopie in vielen Bereichen.

 

Insbesondere werden folgende Themen behandelt:

  • Multifunktionale Sensoren
  • Impedanzsbasierte Sensoren
  • Elektrochemische Sensoren
  • Methoden zur Kabelfehlerlokalisierung und -Detektion
  • Bioimpedanz-Messverfahren
  • Wasserqualitätssensoren
  • Eingebettete Systeme zur Impedanzmessung
 

Ausgewählte Publikationen:

  • Chr. Weber, F. Wendler, M. Tahedl, O. Kanoun: „2D-Modellierung des Einflusses leitfähiger Schichten auf die Sensorimpedanz bei kapazitiven Sensoren“, tm - Technisches Messen. - 81. 2014, 9, S. 442 - 449
  • F. Wendler, P. Büschel, O. Kanoun: „Effiziente Parameterschätzung impedanzbasierter Sensoren durch lokale, lineare Transformation“, tm - Technisches Messen. - 81. 2014, 9, S. 450 - 456
  • Q. Shi, O. Kanoun: "A new algorithm for wire fault location using time-domain reflectometry", IEEE Sensors Journal 14 (4), 6678706, pp. 1171-1178
  • R. Gruden, A. Buchholz, and O. Kanoun: "Electrochemical analysis of water and suds by impedance spectroscopy and cyclic voltammetry", J. Sens. Sens. Syst. (JSSS), 3, 133-140, 2014
  • Q. Shi, O. Kanoun: "Model-based identification of wire network topology", Measurement, Volume 55, September 2014, Pages 206–211, Elsevier
  • M. Guermazi, O. Kanoun, N. Derbel: “Investigation of long time beef and veal meat behavior by bioimpedance spectroscopy for meat monitoring”, IEEE Sensor Journal, 2014
  • Shi, Q.; Kanoun, O.: A New Algorithm for Wire Fault Location Using Time-Domain Reflectometry. In: IEEE Sensors Journal, ISSN1530-437X, vol. 14, 2014.
  • D. Bouchaala, O. Kanoun, N. Derbel: “Portable Bioimpedance Spectrometer for Total Frequency Range of ß-Dispersion”, Technisches Messen, Band 80, Heft 11, S. 373-378, Oldenbourg Verlag, 10.1515/teme.2013.0045, November 2013
  • Q. Shi, O. Kanoun: Wire Fault Location in Coaxial Cables by Impedance Spectroscopy , IEEE Sensor Journal, Juni 2013, DOI: 10.1109/JSEN.2013.2269218
  • M. Guermazi, O. Kanoun, N. Derbel: "Reduction of anisotropy influence and contacting effects in in-vitro bioimpedance measurements", Journal of Physics Conference Series 434 (2013) 012058, doi:10.1088/1742-6596/434/1/012058
  • Q. Shi, O. Kanoun: Analysis of the Parameters of a Lossy Coaxial Cable for Cable Fault Detection, Transaction on Systems, Signals and Devices. Vol. 7, No. 4, pp. 311-325, 2012
  • F. Wendler, U. Tröltzsch, O. Kanoun: "Modellierung der absoluten Impedanz einer Luftspule mit Wirbelstromeinwirkung", Technisches Messen 79 (2012), No. 11, Pages 516-521, 2012
  • U. Tröltzsch, F. Wendler, O. Kanoun: Simplified analytical inductance model for a single turn eddy current sensor. In: Sensors and Actuators A: Physical (2012)
  • P. Büschel, U. Tröltzsch, O. Kanoun: „Use of Stochastic Methods for Robust Parameter Extraction from Impedance Spectra“, Electrochimica Acta, vol. 56., no. 23, pp. 8069 - 8077 (2011), ISSN: 0013-4686, Elsevier
  • H.-R. Tränkler, O. Kanoun, et al.: “Smart sensor systems using impedance Spectroscopy”, Proc. Estonian Acad. Sci. Eng 13.4 (2007): 455-478 (Special Issue for Thomas Johann Seebeck)
  • O. Kanoun: „Untersuchungen zu Sensoren mit variierter Anregung“, Technisches Messen 73 (2006) 7/8, Oldenbourg Verlag
  • O. Kanoun, U. Tröltzsch, H.-R. Tränkler: "Benefits of Evolutionary Strategy in Modeling of Impedance Spectra", S. 1453-1461, Electrochimica Acta 51 (2006), Elsevier

Drahtlose energieautarke Sensoren

 
Die Unabhängigkeit eines elektronischen Systems von einer stationären Energieversorgung ermöglicht die Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen. Im Bereich "Energy Harvesting" werden dazu Techniken und Methoden entwickelt, die dazu dienen Energie aus der Umgebung zu gewinnen um elektronische Systeme zu versorgen. Dies ermöglicht einen flexiblen Einsatz in rauer Umgebung oder an schwer zugänglichen Stellen bei geringfügigem Installations- und Wartungsaufwand. Bei mobilen Anwendungen kann der Platzbedarf für mitgeführte Gerätebatterien reduziert oder diese im Sinne der Umwelt gegebenenfalls komplett eingespart werden.

 

Bild: Struktur eines energieautraken Sensorsystem

Die klassische Physik bietet eine Vielzahl von Effekten ambiente Energiequellen wie Umgebungstemperatur, Licht, Vibration oder eine Luftströmung in elektrische Energie zu wandeln. Im Forschungsbereich "Energy Harvesting" betrachtet man neben den Möglichkeiten zur Energiewandlung Methoden zur Energiekonditionierung, zum Energiemanagement, zur Energiespeicherung und zur energiesparenden Anwendung. Gegenwärtig werden große Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen um das Potential dieser neuen Technologie verfügbar zu machen.
 

 

Bild: Vibrationswandler für niedrige Amplituden

Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Energiemanagement, welches über die Verteilung der verfügbaren Energie zwischen Speicher und Anwendung, in Abhängigkeit von Energiebilanz und den Betriebszuständen, einer Anwendung entscheidet. Abhängig von der verfügbaren Energie sollen Betriebsmodi der Anwendung intelligent angesteuert werden um den Energieverbrauch zu minimieren. Besondere Herausforderungen sind starke Schwankungen des Energieaufkommens und die Abhängigkeit der Energiewandler von den Umgebungsbedingungen. Verschiedene elektronische Systeme können bereits heutzutage mit Energie aus ihrer direkten Umgebung versorgt werden.
 
Insbesondere werden folgende Themen behandelt:
  • System Design energieautarker Sensoren
  • Prognoseverfahren für Solarenergie
  • Elektrodynamische Vibrationswandler
  • Magnetoelektrische Vibrationswandler
  • Drahtlose Energieübertragung durch induktive und RF-Felder
  • Intelligente Methoden des Energiemanagements
  • Drahtlose Sensornetzwerke
 

Ausgewählte Publikationen:

  • S. Naifar, S. Bradai, C. Viehweger, O. Kanoun: "Investigation of the magnetostrictive effect in a terfenol-D plate under a non-uniform magnetic field by atomic force microscopy", Materials & Design, 2016
  • S. Bradai, S. Naifar: "Finite element analysis of combined magnetoelectric- electrodynamic vibration energy converter", Journal of Physics: Conference Series, Volume 660, conference 1,  Dec. 2015
  • S. Bradai, S. Naifar, Chr. Viehweger, O. Kanoun, G. Litak: "Nonlinear analysis of an electrodynamic broadband energy harvester", The European Physical Journal Special Topics. - 224. 2015, 14, S. 2919 - 2927
  • S. Bradai, S. Naifar, Chr. Viehweger, O. Kanoun: "Response analysis of a nonlinear magnetoelectric energy harvester under harmonic excitation", The European Physical Journal Special Topics. - 224. 2015, 14, S. 2897 - 2907
  • S. Khriji, D. El Houssaini, M.W. Jmal, C. Viehweger, M. Abid, O. Kanoun: "Precision irrigation based on wireless sensor network", IET Science, Measurement and Technology, Volume 8, Issue 3, 2014, Pages 98-106
  • Chr. Viehweger, T. Keutel, L .Kasper, T. Pfeifer, O. Kanoun: „System Design and Energy Management for Indoor Solar Energy Harvesting Under Consideration of Spectral Characteristics of Solar Cells”, International Journal of Measurement Technologies and Instrumentation Engineering (IJMTIE) - 3 . 2013 , 1 , 1-15
  • X. Zhao, T. Keutel, M. Baldauf, O. Kanoun: "Energy harvesting for a wireless-monitoring system of overhead high-voltage power lines", IET Generation, Transmission & Distribution, Volume 7, Issue 2, February 2013, p. 101 – 107
  • N. Ben Amor, O. Kanoun: “Availability of Vibration Energy for Supply of Hearing Aids”, Transactions on Systems, Signals & Devices, Vol. 4, No. 4, 2009
  • O. Kanoun: “Energy-management for Power Aware Portable Sensor Systems”, Transactions on Systems, Signals & Devices, Vol. 3, No. 4, 2008, ISSN 1861-5252

Sensoren auf der Basis von Nanokompositen

 
Der technologische Fortschritt auf dem Gebiet der Mikro- und Nanotechnologie bietet zukunftsträchtige Möglichkeiten für neue Sensoren und Sensorprinzipien. Neuartige Sensoren können unter Verwendung von Nanopartikeln, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren (engl. CNTs) oder Graphenoxid realisiert werden. Diese neuartige Sensoren haben entscheidende Vorteile, insbesondere weil sie in ihre Komposition vielfältig beeinflusst werden können. Es können flexible Sensoren für diverse Anwendungen maßgescheindert entwickelt werden.
 
Die Herstellung von Nanokompositen ist entscheidend für die Erreichung besonderer Sensoreigenschaften, von der Dispersionsqualität bis hin zur Abscheidung. Selbst wenn die Filmhomogenität keine absolute Voraussetzung für seine Funktionalität bildet, ist die Reproduzierbarkeit von hohem Interesse. 
 

CNT-Komposit 

Bild: Herstellung und Charakterisierung von CNT-Nanokompositen

Verschiedene Charakterisierungen sind für die Optimierung der sensitiven Schichten notwendig, um ihre morphologischen, mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften zu bestimmen. Impedanzspektroskopie ermöglicht eine tiefgehende Untersuchung des elektrischen Verhaltens unter mechanischer Belastung.

Bild: Untersuchungen von CNT-Kompositen mit Impedanzspektroskopie am Beispiel eines Epoxid/CNT-Nanokomposits

Mit CNT- oder Graphenoxide-Polymer-Kompositen können neuartige Dehnungsmessstreifen realisiert werden, die selbsthaftend und eine hohe Sensitivität zeigen. Diese können in ihren Eigenschaften durch die geeignete Wahl von Materialien und Herstellungsparametern an die Anwendung adaptiert werden.

 
Bild: Beispiel eines Nanomoposit-Sensors für Fußsohlen
 
Insbesondere werden folgende Sensoren bzw. Themen entwickelt und intensiv untersucht:
  • Dehnungs- und Drucksensoren
  • Temperatur- und Feuchtesensoren
  • CNT-Dispersionen
  • Charakterisierung des elektrischen und mechanischen Verhalten von Nanokompositen
  • Charakterisierung mit Impedanzspektroskopie
 

Ausgewählte Publikationen:

  • A. Sanli, C. Müller, O. Kanoun, C. Elibol, M. F.-X. Wagner: “Piezoresistive Characterization of Multi-walled Carbon Nanotube-Epoxy based Flexible Strain Sensitive Films by Impedance Spectroscopy”, Composites Science and Technology 11/2015
  • A. Benchirouf: “Electrical Properties of Multi-Walled Carbon Nanotubes/PEDOT:PSS Nanocomposites Thin Films under Temperature and Humidity Effects”, Sensors and Actuators B: Chemical, 2015
  • Dinh, N. et al: "High-resolution inkjet printing of conductive carbon nanotube twin lines utilizing evaporation-driven self-assembly", Carbon 96:382-396 · September 2015
  • C. Gerlach et al: "Printed MWCNT-PDMS-Composite Pressure Sensor System for Plantar Pressure Monitoring in Ulcer Prevention", IEEE Sensors Journal. - 15. 2015, 7, S. 3647 - 3656
  • Dinh, N. et al: "Temperature-Compensated Force/Pressure Sensor Based on Multi-Walled Carbon Nanotube Epoxy Composites", Sensors. - 15. 2015, 5, S. 11133 - 11150
  • Kanoun, O. et. al.: "Flexible Carbon Nanotube Films for High Performance Strain Sensors" Sensors, 2014, vol. 14, pp. 10042-10071.
  • Gerlach, C.; Kanoun, O. : "Printable piezoresistive carbon nanotube-elastomer for pressure sensors", Tech. Mess. 2013, 80, 9–15.
  • O. Kanoun: „Untersuchungen zu Sensoren mit variierter Anregung“, Technisches Messen 73 (2006) 7/8, Oldenbourg Verlag
  • Al-Hamry, A. Benchirouf, N. Dinh, O. Kanoun; Modeling of Metallic SWNT-Metal Electrode Resistance, Transaction on Systems, Signals and Devices 11/2013; Vol. 8(4):427-439.

Batteriediagnose basierend auf Impedanzspektroskopie

 
Batterien und Akkumulatoren kommen in vielen Anwendungen wie z. B. Automobil, Handy, mobile Anwendungen und drahtlosen Systemen zum Einsatz. Jhrlich werden in Deutschland mindestens 1,3 Milliarden Gerätebatterien verbraucht. Mehrere Batterietechnologien sind aktuell in Entwicklung. So gewinnt z. B. die Li-Ion Technologie für die nächste Generation von Hybrid-Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang sind Verfahren zur Batteriediagnose von Interesse, die einen generischen Charakter haben und trotz der unterschiedlichen Konditionen im realen Einsatz und den variablen Technolgien genaue Information liefern.
 
Hierfür sind neuartige Messsysteme und Algorithmen notwendig, die kostengünstig in Batterien integriert werden können. Die Impedanzspektroskopie ist dazu besonders geeignet, da verschiedene Effekte innerhalb eines Akkus aufgrund ihrer Frequenzabhängigkeit simultan beobachtet werden können. Aufgrund der Fortschritte der Mikroelektronik können heute robuste Messsysteme für die Online-Diagnose kostengünstig realisiert werden.
 

Bild: Eingebettete Lösungen basierend auf Impedanzspektroskopie

An der Professur für Mess- und Sensortechnik werden Verfahren zur Diagnose von Batterien für Ladezustand, Alterungszustand bzw. momentane Kapazität, Selbstentladerate und Last(wechsel)verhalten entwickelt. Durch den Einsatz der Impedanzspektroskopie werden entscheidende Vorteile damit erreicht, dass diverse Effekte aufgrund ihrer unterschiedlichen Frequenzabhängigkeit separiert werden können. Damit können prinzipiell Diagnosen an den Elektroden und am Elektrolyt durchgeführt werden, die bei anderen Diagnoseverfahren, wie z. B. Pulsverfahren oder einfache Stromspannungsmessungen nur bedingt erreicht würden.
 
Insbesondere werden folgende Themen behandelt:
  • experimentelle Untersuchungen an elektrochemischen Speichern
  • Entwicklung von physikalisch-chemischen Modellen
  • elektrochemische Impedanzspektroskopie
  • Verfahren zur schnellen Aufnahme eines Impedanzspektrums
  • Simulationsmodelle für Speicher und Batterien
  • schnelle und robuste Modellfittings
 

Ausgewählte Publikationen:

  • T. Günther, P. Büschel, O. Kanoun: “Eingebettetes Impedanzmesssystem für das Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen”, Technisches Messen . - Vol. 81, 2014 , Issue 11 , S. 560 - 565
  • U. Tröltzsch, O. Kanoun: "Generalization of transmission line models for deriving the impedance of diffusion and porous media", Electrochimica Acta, vol. 75, no. 1, pp. 347 - 356, ISSN: 0013-4686, Elsevier.
  • U. Tröltzsch, O. Kanoun: „Implementierung der Impedanzspektroskopie in vollautomatischen Meßsystemen am Beispiel der Batteriezustandsdiagnose“, Technisches Messen 73 (2006) 7/8, Oldenbourg Verlag.
  • P. Büschel, U. Tröltzsch, O. Kanoun: "Use of stochastic methods for robust parameter extraction from impedance spectra", Electrochimica Acta, Volume 56, Issue 23, pp. 8069–8077, 2011.
  • O. Kanoun, U. Tröltzsch, H.-R. Tränkler: “Benefits of Evolutionary Strategy in Modeling of Impedance Spectra”, S. 1453–1461, Electrochimica Acta 51 (2006), Elsevier
  • U. Tröltzsch, O. Kanoun, H.-R. Tränkler: “Characterizing Aging Effects of Lithium Ion Batteries by Impedance Spectroscopy“, S. 1664–1672, Electrochimica Acta 51 (2006), Elsevier
  • U. Tröltzsch, O. Kanoun, H.-R. Tränkler, “Diagnose von Gerätebatterien mit Impedanz-spektrometrie“, Technisches Messen 71 (2004) 9, S. 509-518, Oldenbourg Verlag