Kapitel 2.3 Sensoren
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Bild 2.3_1 Quelle: Nordmann Störgröße Aktor Energie Speicher Energiewandler Energiesteller Steuergerät Open loop Sensor Einganssignal in das Steuergerät Stellsignal Prozess (Abtrieb) Energieumformer Ausgangsgröße Steuerung eines Systems, Open Loop Control Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_2 Quelle: Nordmann Störgröße Aktor Energie Speicher Energiewandler Energiesteller Sensor Steuergerät Sollwert Stellsignal Prozess (Abtrieb) Energieumformer Eingangssignal in das Steuergerät Closed Loop Ausgangsgröße Regelung eines Systems, Closed Loop Control Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_3 Quelle: Bosch Sensoren und Aktoren in einem Kraftfahrzeug Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_4 Quelle: Nordmann Mechanische Größen Elektromagnetische Strahlung Weg, Abstand Geschwindigkeit Beschleunigung Kraft Druck Frequenz Intensität Polarisation … Elektrische Größen Spannung Stromstärke Widerstand Kapazität … Sensoren elektrisches Ausgangssignal Chemische Größen Konzentrationen Aggregatzustand … Magnetische Größen Thermische Größen Feldstärke Flussdichte … Temperatur Wärmekapazität … Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_5 Quelle: Bosch Sensoren im Kraftfahrzeug Anforderungen Entwicklungsmaßnahmen Hohe Zuverlässigkeit Robuste, erprobte Technik Geringe Herstellkosten Rationelle Massenfertigung Harte Betriebsbedingungen Widerstandsfähige Verpackung Kleine Bauweise Technologien der Miniaturisierung Hohe Genauigkeit Fehlerkompensation vor Ort Hauptanforderungen an Sensoren und Entwicklungsmaßnahmen Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_6 Quelle: Nordmann • Passive Sensoren – Ändern eine elektrische Größe durch den Einfluss einer nichtelektrischen Größe – Zur Messung ist eine Hilfsspannung bzw. eine Auswerteschaltung notwendig – Beispiele: Temperatursensor PT1000 • Aktive Sensoren – Wandeln nichtelektrische Größen direkt in elektrische Größen – Können direkt gemessen werden – Beispiele: Fotoeffekt, Thermospannung Unterscheidung von Sensoren nach ihrem Wirkprinzip Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_7 Quelle: Heimann Integrationsgrad von Sensoren Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_8 Quelle: Heimann Ausgangssignal 1 2 Eingangssignal Zu erfassender Meßbereich (1) und Meßbereich des Sensors (2) Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_9 Quelle: Heimann Statische Fehler von Meßsystemen Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_10 Quelle: Nordmann Zoom Ausgangsgröße Auflösung Eingangsgröße Auflösung des Meßsignals eines Sensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_11 Quelle: Nordmann 20 mV P = konst. Rauschsignal Ausgangssignal Auflösung Zeit [t] Rauschsignal eines Sensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_12 Quelle: Nordmann niedrige Signal-Frequenz hohe Signal-Frequenz 1 X(t) analog X(t) analog 1 0,5 0 -0,5 -1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,5 0,7 0,8 0,9 0,5 0 -0,5 -1 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Zeit t 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 X(t) digital X(t) digital 0,5 Zeit t 0,5 0 -0,5 -1 0,5 0 -0,5 -1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,1 0,2 0,3 Zeit t 0,4 0,5 Zeit t gleiche Messfrequenz !!! Aliasing Effekt bei der A/D Wandlung Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_13 • Drehzahl – Induktiver Drehzahlaufnehmer, Pick-up, (eventuell mit Elektronik) – Sinusförmige Wechselspannung, Rechtecksignal, Frequenz • Druck – Membranmessdose mit integrierter Elektronik (Hybrid) – Stromsignal 4..20 mA, Spannung 0.5 bis 4.5 V • Temperatur – Temperaturfühler, PT100, PT1000, NTC, NiCr-Ni – Veränderlicher Widerstandswert, Thermospannung • Weg – Induktiver Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik – Beisp. Spannungssignal 1 bis 8 V für 0 bis 20 mm Übersicht Messwert - Sensortyp Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_14 • Verifikation des gemessenen elektrischen Signals (Aktive Sensoren) – Beispiel: zulässiges Signal: 4 bis 20 mA, wobei 4 mA = 0 bar und 20 mA = 10 bar. • Elektrisches Signal 0 mA (Kabelbruch) • Signal >> 20 mA (Kurzschluss) • < 4mA oder >20mA (Missweisung oder Sensordefekt) Sensorüberwachung Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_15 • Über Messbereichseinschränkung – Der Erfassungsbereich einer Temperatur liegt zwischen –50° C und 150° C. Verlässt der gemessene Wert diesen Bereich so wird „Sensordefekt“ ausgegeben) • Durch redundante Datenerfassung – Wichtige Betriebswerte werden redundant, das heißt mit unabhängigen Sensoren, Verkabelung und Messeingangskanälen erfasst. – Durch Vergleich der beiden Messwerte kann eine Abweichung oder Defekt eines Sensors erkannt werden. Sensorüberwachung Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_16 • Je nach Messstellentyp wird auf den Fehler reagiert durch: • Abschaltung der Überwachung mit Alarmhinweis • Systemstop, Notstop (Beispiel: Ausfall Motordrehzahlerfassung). • Notbetrieb (Automatikgetriebe immer im 2. Gang) • Verwendung des Signals des verbleibenden Sensors (bei redundanter Sensorik) • Verwendung eines Ersatzsignals (Bsp. 70° C für Motortemperatur) Reaktion Steuergerät Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_17 • Defekte Verkabelung, Steckverbindungen, Klemmen (Kabelbruch, Abgefallene Stecker, Übergangswiderstände durch Korrosion) • De-Kalibrierung (Drift, Alterung) • Mechanische Überlastung beim Messbereich (Überdruck, Übertemperatur) • Zerstörung durch ESD, EMV • Zerstörung durch eintretende Feuchtigkeit, Schmutz • Zerstörung durch mechanische Zerstörung, äußere Einflüsse • Missweisung oder Signalverzerrung durch Verschmutzung (Kalkablagerung, Metallspäne auf Pick-Up) Typische Sensordefekte Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_18 Quelle: Bosch • Ausgangssignale: – Spannung 0,5 bis 4,5 V – Strom 4.. 20 mA • Sensordefekterkennung durch Verlassen des gültigen Wertebereichs Aufbau Drucksensor Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_19 Quelle: Bosch Drosselklappensenor Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_20 Quelle: Bosch Vorteile von Potentiometersensoren • Einfacher, übersichtlicher Aufbau, • sehr großer Messeffekt (Messhub == Versorgungsspannung) • keine Elektronik erforderlich • weiter Temperaturbereich (<250°C) • hohe Genauigkeit (besser 1 % v. EW) • weiter Messbereich (fast 360° möglich) • problemlose Redundanzausführung • Abgleichbarkeit (Laser usw.) • Flexible Kennlinie (variable Bahnbreite) • flexible Montage (ebene bzw. gekrümmte Fläche) • zahlreiche Hersteller • schnelle Bemusterung Nachteile von Potentiometersensoren Beispiele für Potentiometersensoren • Stauscheiben- Potentiometer (KE- und L-Jetronic), • Drosselklappenwinkelsensor (M-Motronic) • Fahrpedalsensor, Fahrpedalmodul, • Tankfüllstandsensor • • • • Mechanischer Verschleiß, Abrieb • Messfehler durch Abriebreste • Probleme bei Betrieb in Flüssigkeit • veränderlicher Übergangswiderstand von Schleifer zu Messbahn • Abheben des Schleifers bei starker Beschleunigung bzw. Vibration • aufwändige Erprobung • begrenzte Miniaturisierbarkeit • Rauschen Vor- und Nachteile von Potentiometersensoren Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_21 Quelle: Bosch hängendes Fahrpedalmodul einzelner Fahrpedalsensor stehendes Fahrpedalmodul FMP1 Vorteile des Elektronischen Gaspedals: • 1 Sensor 2 fahrzeugspezifisches Pedal 3 Pedalbock • • Bauformen eines Fahrpedalsensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_22 0,75 Ausgangsspannung 4,75 V Quelle: Bosch 11 Potentiometer 1 (Führungspotentiometer) 2 Potentiometer 2 (halbe Spannung) Pedalweg ca.25 mm Kennlinien des Fahrpedalsensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_23 Quelle: Bosch Galvanomagnetische Effekte. a) Schaltung b) Verlauf der Hall-Spannung UH c) Zunahme des Plättchenwiderstandes R (Gauß-Effekt) B Induktion UR Längsspannung. Funktionsweise Hallsensor Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Bild 2.3_24 a b c 1 2 3 4 5 ω Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Quelle: Bosch Position a Position b Ausgangssignal Eisenrückschluss Stator (1,2 Weicheisen) Rotor (Permanentmagnet) Luftspalt Hall - Sensor Drehwinkel Analoger Hall-Winkelsensor mit linearer Kennlinie für Winkel bis 180° Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_25 Quelle: Bosch a Aufbau b Kennlinie mit Arbeitsbereich A 1 Rotorscheibe (dauermagnetisch) 2 Polschuh 3 Flussleitstück 4 Luftspalt 5 Hall-Sensor 6 Achse (weichmagnetisch) Hall-Winkelsensor (Movable Magnet) Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_26 Quelle: Bosch 1 Gehäusedeckel 2 Rotorscheibe (dauermagnetisch) 3 Auswertelektronik mit Hall-Sensor 4 Gehäuseunterteil 5 Rückstellfeder 6 Anlenkelement (z.B. Zahnrad) 1 cm Hall-Winkelsensor als Fahrpedalsensor Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_27 Quelle: Bosch 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Leiterplatte Vergussmasse Kunstoffgehäuse Systemträger Entkopplungsring (Silikongummi) Hülse Ultraschallwandler Abdeckkappe elektrischer Anschluss (Stecker) Ultraschallsensor Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_28 Quelle: Nordmann Force Output = Elektrode Elektrischer Schaltkreis eines piezoelektrischen Werkstoffs Piezoelektrischer Polymer Piezoelektrischer Effekt Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_29 Quelle: Heimann Signalbild eines Ultraschallsensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper Bild 2.3_30 Quelle: Heimann Prinzipschaltbild eines Ultraschallsensors Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
