Beschleunigungssensoren
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Beschleunigungssensoren Steffen Buchner 13.07.2009 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 2 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 3 Geschwindigkeit und Beschleunigung Weg s [m] Weg konstant Weg fallend 100 75 Durchschnittsgeschwindigkeit: 50 25 20 10 m/s = 36 km/h 0 2 2 4 Weg steigt nicht linear → Beschleunigung! 6 Beschleunigungssensoren 8 10 Zeit t [s] 4 Geschwindigkeit und Beschleunigung Weg s [m] Weg konstant Weg fallend Momentangeschwindigkeit: 100 75 25 Tangente + Steigungsdreieck 40 50 20 m/s = 72 km/h 2 0 2 4 6 Beschleunigungssensoren 8 10 Zeit t [s] 5 Geschwindigkeit und Beschleunigung v [m/s] Momentanbeschleunigung: 30 Geschwindigkeitsabnahme (Bremsen) → negative Beschleunigung 25 -20 m/s² 15 20 15 7,5 m/s² 10 2 Weg konstant 5 0 -5 -10 2 4 6 Beschleunigungssensoren 8 Weg fallend 10 Zeit t [s] 6 Geschwindigkeit und Beschleunigung Was man im Diagramm nicht sieht: Strecke ist ein Vektor Momentangeschwindigkeit: Momentanbeschleunigung: 20 m/s y ∆v Auch die Richtungsänderung ist eine Beschleunigung! x Quelle: Nach [1] → Beschleunigungssensoren können Richtungsänderungen nicht messen (dafür gibt es Gyroskope) Beschleunigungssensoren 7 Geschwindigkeit und Beschleunigung ● 1g: Erdschwerebeschleunigung 9,81 m/s² ● 2g: PKW in der Kurve ● 2g: Schlaglöcher ● 3g: Formel1-Wagen in der Kurve ● 5g: Bobschlittenfahrer in der Kurve ● 7g: Menschliche Bewusstlosigkeit Quelle: [12] Beschleunigungssensoren 8 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 9 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren ● Lex prima: Trägheitsprinzip „Jeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.“ ● Lex secunda: Aktionsprinzip F=m*a Zur Beschleunigung einer Masse wird eine Kraft benötigt. ● Lex tertia: Reaktionsprinzip „Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleichgroße, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).“ Beschleunigungssensoren 10 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren Messung meistens nur eindimensional Gehäuse M Seismische Masse M Feder M Beschleunigung Beschleunigungssensoren 11 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren M M Beschleunigungssensoren M Wichtig: Jeder Beschleunigungssensor kann (auf der Erde) auch seine Neigung messen! 12 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 13 Sensorarten und Messprinzipien Übersicht ● Piezoelektrisch am gängigsten ● Piezoresistiv ● Kapazitiv ● Hall-Effekt ● Wärmeübertragung ● (Magnetoresistiv – ähnlich Hall-Effekt) ● (Dehnungsmessstreifen – ähnlich Piezoresistiv) Beschleunigungssensoren 14 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Funktionsweise ● ● (z.B. Quarz) ● Quelle: [2] Piezoelektrischer Kristall wird gestaucht / gedehnt Entstehung einer Ladung durch piezoelektrischen Effekt Messung mithilfe eines Ladungsverstärkers (wandelt Ladung in Spannung um) Beschleunigungssensoren 15 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Piezoelektrischer Effekt ● ● Ladungsverschiebung (Elementarteilchen) Elektroden werden geladen Quelle: [3], Seite H8 Beschleunigungssensoren 16 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Vor- und Nachteile + Extreme Robustheit + Überlastsicherheit + Langzeitstabilität + Kompaktheit in Relation zum weiten Messbereich + Einsetzbar noch bei 150° C + Hervorragende Linearität im gesamten Druckbereich + Keine beweglichen Teile - Beeinflusst durch die Umgebungstemperatur (Kompensation nötig) - Bei statischen Messungen bedingt verwendbar Beschleunigungssensoren 17 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Funktionsweise ● ● (Silicium) ● Quelle: [2] Piezoresistives Substrat wird gestaucht / gedehnt Veränderung des Widerstandes durch piezoresistiven Effekt Messung mithilfe einer Wheatstoneschen Messbrücke (Einrichtung zur Präzisionsmessung von Widerständen) Beschleunigungssensoren 18 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Bohrsches Atommodell ● ● Quelle: [18] Atom besteht aus: – positiv geladenem Kern – negativ geladenen Elektronen verschiedene Energieniveaus für die Elektronen Beschleunigungssensoren 19 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Energiebändermodell ● ● Quelle: [19] Es gibt Wechselwirkungen zwischen den Elektronen verschiedener Atome → Die Energieniveaus werden zu Energiebändern Pro Energieband gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Energiezuständen Beschleunigungssensoren 20 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Valenz- und Leitungsband ● ● Das Valenzband ist das äußerste noch besetzte Band Innerhalb des Leitungsbandes sind freie Energiezustände → Elektronen können leicht Energie eines elektrischen Feldes aufnehmen und sich frei bewegen Quelle: [20] Beschleunigungssensoren 21 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Piezoresistiver Effekt ● Halbleiterkristall: – Atome sind regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet – Bei Belastung Veränderung des Abstandes der Atome im Kristallgitter – Änderung des Bandabstandes (Valenzband zu Leitungsband) und der Form der Bänder des Halbleiters – → Änderung der Anzahl der Elektronen im Leitungsband und der Beweglichkeit der Ladungsträger – (Mikrosystemtechnik von Ulrich Hilleringmann, Seite 138-146) Beschleunigungssensoren 22 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Piezoresistiver Effekt ● ● Die Potentialberge reduzieren sich Das Valenzband überlagert sich mit dem Leitungsband Quelle: nach [19] Beschleunigungssensoren 23 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Vor- und Nachteile + Einfach mit der Messbrücke auszulesen + Relativ empfindlich - Offset und Empfindlichkeit temperaturabhängig (→ Kompensation) - Nichtlinearer Messbereich Beschleunigungssensoren 24 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Funktionsweise ● ● ● Kondensator mit beweglichen Elektroden Veränderung der Kapazität Veränderung der Ausgangsspannung Quelle: [4], Seite 120 Beschleunigungssensoren 25 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Formeln für Plattenkondensator → C ~ 1/d →U~d (Q – Ladung: konstant) Quelle: [5] Permittivität – Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder Beschleunigungssensoren 26 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Versuch mit Plattenkondensator ● ● Quelle: [6] ● ● ● ● Anlegen einer Spannung von 5 kV Ein elektrischer Strom fließt kurzzeitig → eine Elektrode wird positiv, die andere negativ Entfernen der Spannung von 5 kV Elektrometer zeigt Spannung an (U=Q/C) Großer Plattenabstand → geringe Kapazität → hoher Ausschlag Kleiner Plattenabstand → hohe Kapazität → geringer Ausschlag Beschleunigungssensoren 27 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv REM-Bild eines ADXL150 REM-Bild eines ADXL150 Quelle: [7] Beschleunigungssensoren 28 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv REM-Bild eines ADXL250 REM-Bild eines ADXL150 Quelle: [8] Beschleunigungssensoren 29 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Quelle: [9] 2-achsiger kapazitiver Sensor → 3 Achsen i.d.R. realisiert durch 2-achsigen Sensor (X, Y) plus 1-achsigen (Z) Beschleunigungssensoren 30 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Vor- und Nachteile + Überlegen in Stabilität (aber noch nicht mit piezoel. Vegleichbar) + Hochempfindlich + Sehr geringer Leistungsverbrauch + Relativ gutes Temperaturverhalten - leider nur sehr kleine Kapazitätsänderungen - Empfindlich gegen umliegende elektromagnetische Felder Beschleunigungssensoren 31 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Funktionsweise ● ● ● Quelle: [11] Masse (1) an Feder (2) gekoppelt Masse an stromdurchflossenen Leiter (4) gekoppelt Magnetfeld (5) um den stromdurchflossenen Leiter Beschleunigungssensoren 32 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Hall-Effekt - Skizze ● ● ● Stromdurchflossener Leiter Eingebracht in ein Magnetfeld → Entstehung einer Spannung senkrecht zu Magnetfeld und Versorgungsspannung Beschleunigungssensoren 33 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Lorentz-Kraft - 3-Finger-Regel ● ● ● Daumen: Technischer Strom Zeigefinger: Magnetfeldlinier → Mittelfinger: LorentzKraft (auf die Elektronen) Beschleunigungssensoren 34 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Vor- und Nachteile - Empfindlich gegen umliegende Magnetfelder Beschleunigungssensoren 35 Sensorarten und Messprinzipien Wärmeübertragung Funktionsweise ● ● Gezeigtes Verfahren: Patent von H. Plöchinger (DE 4243978C1, 1993) → Es gibt noch andere Hauptsächlich gedacht als Neigungssensor ● Zentrale Wärmequelle ● Gefüllt mit Gas ● Temperatursensoren am Rand Quelle: [14] ● Konvektionsströmung transportiert Wärme (Gasteilchen) Beschleunigungssensoren 36 Sensorarten und Messprinzipien Wärmeübertragung Vor- und Nachteile + 2-dimensionale Messung + Höchste Stoßfestigkeit: Keine beweglichen Massen / Flüssigkeiten + Natürliche Linearität des Ausgangssignals in einem Neigungsbereich um die Nullachse Beschleunigungssensoren 37 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 38 Anwendungsgebiete ● Alarmanlagen ● Fallerkennung (Festplatten) ● Autos (Airbag) ● Aufnahme von Waffendaten Beschleunigungssensoren 39 Anwendungsgebiete ● Controller von Videospielen ● Steuerung von Handy-GUIs ● Steuerung von Handy-Spielen ● Raumfahrt / Luftfahrt ● Navigation nur in Verbindung mit Gyrometer (Drehung) Beschleunigungssensoren 40 Inhalt ● ● Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Beschleunigungssensoren ● Sensorarten und Messprinzipien ● Anwendungsgebiete ● Fazit Beschleunigungssensoren 41 Fazit ● ● ● ● Technik gut ausgereift, besonders der piezoelektrische und kapazitive Beschleunigungssensor Beschleunigungsmessung in immer mehr Geräten (→ Anwendungsgebiete) Artikel von eventiq über Boom von MEMS (Microelectrical mechanical Systems): „Der Einsatz von Beschleunigungssensoren in neuen Mobiltelefonen stieg auf 10% im Jahr 2008 – von 3% im Jahr 2007.“ → Entwicklung noch nicht beendet (bzgl. Temperaturempfindlichkeit, ...) Beschleunigungssensoren 42 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Beschleunigungssensoren 43 Extras ● Datenblatt Freescale® MMA7260Q ● Wheatstonesche Messbrücke ● Ladungsverstärker ● → AVIs: Bändermodell und Leitungsvorgang ● → PDFs: Aufnahme von Waffendaten Beschleunigungssensoren 44 Extras: Freescale® MMA7260Q Eigenschaften ● 3-Achsen-Sensor ● Kapazitiv ● ● Quelle: [15] ● Veränderung der Ausgangsspannung Eingebaute Temperaturkompensation Ratiometrizität: Sensitivität und Offset steigen linear zur Eingangsspannung Beschleunigungssensoren 45 Extras: Freescale® MMA7260Q Datenblatt → MMA7260Q-Rev1.modified.pdf Beschleunigungssensoren 46 Extras: Wheatstonesche Messbrücke Spannungsteiler ● ges ● ges ● Quelle: [16] Reihenschaltung zweier Widerstände: Rges = R1 + R2 Reihenschaltung → Strom durch alle Widerstände gleich: Iges = I1 = I2 = Uges / Rges Reihenschaltung → Spannung unterschiedlich: U1 = Iges * R1 U2 = Iges * R2 Beschleunigungssensoren 47 Extras: Wheatstonesche Messbrücke Wheatstonesche Messbrücke ● ● ● Quelle: [10] Zwei Spannungsteiler Früher zur Messung eines unbekannten Widerstandes durch Ausprobieren von 2 anderen, sodass Spannungspotential = 0 Heute fast nur noch zur Präzisionsmessung. Ein variabler Widerstand, sodass bei dessen Normalwert Spannungspotential = 0 Beschleunigungssensoren 48 Extras: Ladungsverstärker Funktionsweise ● Operationsverstärker ● ● Sensor erzeugt Ladung → am Eingang fließt der positive Strom Ie Eingangsspannung des OVP erhöht sich geringfügig OVP verstärkt Eingangsspannung → Ausgangsspannung Ua wird immer negativer → Kondensator lädt sich auf (wirkt dem Eingangsstrom entgegen) Beschleunigungssensoren 49 Extras: Ladungsverstärker Funktionsweise ● Operationsverstärker ● Wenn Eingangsstrom = Aufladestrom des Kondensators, ist das Gleichgewicht erreicht Sensor liefert irgendwann keine Ladung mehr → Ua bleibt konstant und lässt sich berechnen: Q - Ladung, C - Kapazität Beschleunigungssensoren 50 Quellen ● [1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Acceleration.JPG ● [2] http://www.sensotec.com/pdf/FAQ_092003.pdf ● [3] Alfred Böge. Vieweg Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik ● [4] Wolf-Dieter Schmidt. Sensorschaltungstechnik ● [5] http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik) ● [6] http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/versuche/01kondensator/kondens1.htm ● [7] http://www.micromagazine.com/archive/04/05/grosjean.html ● [8] http://nepp.nasa.gov/eeelinks/February2002/Thermal_and_Mechanical_Reliability.htm ● [9] http://tima.imag.fr/mns/research/techno/techno.php ● [10] http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbrücke ● [11] Alexander D. Khazan. Transducers and Their Elements: Design and Application. Prentice Hall, 1994. ● [12] www2.usfirst.org/2005comp/Manuals/Acceler1.pdf ● [13] https://www.itiv.uni-karlsruhe.de/download/lectures_mst2/SS2008/MSTII-03.pdf ● [14] http://www.thyracont.com/webshop/pdf/tdnsd.pdf ● [15] www.robotikhardware.de/download/Accelerometer_ Beschleunigungssensor_MMA7260QT.pdf ● [16] http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsteiler Beschleunigungssensoren 51 Quellen ● [17] Werkstoffe der Mikrotechnik von Joachim Frühauf, Hanser Verlag 2005 ● [18] http://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell ● [19] http://de.wikipedia.org/wiki/B%C3%A4ndermodell Beschleunigungssensoren 52
