3.) Sensormessprinzipien - Fachhochschule Südwestfalen

Fachhochschule Südwestfalen
Wir geben Impulse
Automobile Elektrik / Elektronik
Sensorik, Aktoren und
Steuergeräte
Veranstaltungsinhalte*
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Veranstaltung 1, 01.10.2015:
Veranstaltung 2, 08.10.2015:
Veranstaltung 3, 15.10.2015:
Veranstaltung 4, 22.10.2015:
Veranstaltung 5, 29.10.2015:
Veranstaltung 6, 05.11.2015:
Veranstaltung 7, 12.11.2015:
Veranstaltung 8, 19.11.2015:
Veranstaltung 9, 26.11.2015:
Veranstaltung 10, 03.12.2015:
Veranstaltung 11, 10.12.2015:
Veranstaltung 12, 17.12.2015:
Veranstaltung 13, 07.01.2016:
Veranstaltung 14, 14.01.2016:
Veranstaltung 15, 21.01.2016:
Einführung ; Wiederholung Elektrotechnik
Bordnetze, Generator und Starter
Netzarchitektur, Bussysteme und Mikroelektronik
Sensorik und Steuergeräte
Sensorik 2
Beleuchtung / Lichttechnik
Fahrerassistenzsysteme / MMI
Fahrerassistenzsysteme 2
Fahrerassistenzsysteme / Erprobung und Versuch
Umfeldüberwachung
Mediasysteme
Telematik
Informations- und Kommunikationssysteme
Autonomes Fahren
Workshop Fahrzeugvernetzung
Dr. Karsten Müller
Folie 2 (09/2015) V4 und V5
* Plan, Änderungen im Lauf der Veranstaltung möglich
Lernziel
 Die Studenten sollen in die Lage versetzt werden, das Fachwissen zu
Sensoren und Aktoren erlangen
 Verständnis der grundlegendenden Strukturen und Geräte zu festigen
 Sie sind damit in der Lage diese Elemente in das Bordnetze einzuordnen, zu
bewerten und auf die Automotiven Applikationen anzuwenden
Dr. Karsten Müller
Folie 3 (09/2015) V4 und V5
Inhalte der Vorlesung 4
1) Steuergeräte
a) Erfordernisse
b) Aufbau
c) Microcontroller
d) Programmierbare Logik, ASIC und FPGA
2) Sensorik
a) Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren
b) Hauptanforderungen, Trends
c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
d) Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien
Dr. Karsten Müller
Folie 4 (09/2015) V4 und V5
Inhalte der Vorlesung 4
3) Sensormessprinzipien
a) Positionssensoren
b) Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren
c) Beschleunigungssensoren
d) Drucksensoren
e) Kraft- und Drehmomentsensoren
f) Durchflussmesser
g) Temperatursonden
h) Opto-elektronische Sensoren
i) Chemische Sensoren
4) Aktoren
5) Beispiele für Sensorausführungen
a) Übung
Dr. Karsten Müller
Folie 5 (09/2015) V4 und V5
1.a) Steuergeräte
Erfordernisse
 So unterschiedlich die Anwendungen verschiedener Steuergeräte auch sind,
der grundsätzliche Aufbau ähnelt sich doch sehr stark.
 Inzwischen besitzt jedes Steuergerät einen Rechnerkern, wobei es allerdings
erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit gibt.
 Im Weiteren besitzt ein diese auch Kommunikationsschnittstellen, z. B. CANTransceiver, zu anderen Steuergeräten und auch zu externen Geräten,
 Aufgaben
− Verarbeitung von Sensorsignalen und eine der Betriebssituation angepasste
Betätigung von Stellgliedern (Aktoren)
 Zu diesem Zweck sind Schnittstellenschaltungen in das Steuergerät
integriert, die auf die jeweiligen Sensoren und Aktoren angepasst sind.
Dr. Karsten Müller
Folie 6 (09/2015) V4 und V5
1.b) Steuergeräte
Aufbau
Dr. Karsten Müller
Folie 7 (09/2015) V4 und V5
1.b) Steuergeräte
Aufbau
Hauptkomponenten
− Microcontroller
− Kondensator für spezelle
Anwendung (100 V)
− Ansteuerung der Aktoren
− Leistungstransistoren
− zwei integrierte MehrfachTreiberbausteine CJ420 und
CJ920
− Spannungsversorgung
− Steckverbinder für Signale und
Power
Dr. Karsten Müller
Folie 8 (09/2015) V4 und V5
1.c) Steuergeräte
Microcontroller
 Anstelle eines Universal-Mikroprozessors wie im PC ist in eingebetteten
Systemen (engl. embedded Systems) ein spezieller Prozessor,
Mikrocontroller genannt, vorhanden. Unter eingebetteten Systemen versteht
man Rechner, die nicht als selbstständige Arbeitsplatzrechner auf einem
Schreibtisch stehen, sondern Teil von Geräten und Systemen sind und dort,
meist für den Anwender verborgen, Aufgaben der Mess-, Steuer- und
Regeltechnik oder Überwachungsaufgaben übernehmen.,
 Einem Mikrocontroller fehlen diverse Funktionen eines PC-Mikroprozessors
(z. B. für Multimedia-Anwendungen), dafür verfügt er über zusätzliche
Funktionseinheiten, die er für Steuerungs- oder Regelungsaufgaben benötigt,
z. B. integrierteAnalog-Digital-Wandler und pulsweitenmodulierte Ausgänge
DerMikrocontroller kann ergänzt werden durch einen zusätzlichen oder
internen digitalen Signalprozessor (DSP), der für digitale Verarbeitung von
Signalen optimiert ist.
Dr. Karsten Müller
Folie 9 (09/2015) V4 und V5
1.b) Steuergeräte
Microcontroller
Moderner 32-bit Controller mit
Peripherie
− CPU: Central Processing Unit,
− DMA: Direct Memory Access,
− DSP: Digital Signal Processor,
− JTAG: Schnittstelle zum Testen
und für andere Zwecke
Dr. Karsten Müller
Folie 10 (09/2015) V4 und V5
1.c) Steuergeräte
Microcontroller (fahrzeugspezifische)
Dr. Karsten Müller
Folie 11 (09/2015) V4 und V5
1.d) Steuergeräte
Programmierbare Logik, ASIC und FPGA
 Nicht alle Funktionen eines Steuergerätes müssen notwendigerweise über
Mikrocontroller und der darauf laufenden Software realisiert werden.
 Vorteile sind vor allem dann zu erwarten, wenn die durchzuführenden
Operationen eher einfach sind, diese aber mit einer Vielzahl gleichartigen
Daten durchzuführen sind. Während ein Mikrocontroller dann unter hoher
Taktrate viel Verlustleistung produziert, die aus Steuergeräten oft schwierig
abzuführen ist, kann eine parallel strukturierte Digitalschaltung diese Aufgabe
evtl. mit einem Bruchteil der Verlustleistung lösen.
 Bei sehr zeitkritischen Anwendungen kann eine schaltungstechnische
Realisierung ebenfalls einer Software-Lösung überlegen sein.
 Deshalb ist Alternative zu einem Mikrocontroller ist eine digitale Schaltung,
bei der die Funktion als Hardware realisiert ist.
Dr. Karsten Müller
Folie 12 (09/2015) V4 und V5
1.d) Steuergeräte
Programmierbare Logik, ASIC und FPGA
 Alternativen, umfangreiche Digitalschaltungen Platz sparend zu realisieren
sind komplexe IC, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind,
ASIC genannt (Application Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische integrierte Schaltung).
Der Benutzer kann in der Matrix aus
Eingangsleitungen und den Und-Eingängen
Verbindungen frei definieren, hier exemplarisch
durch die kleinen Quadrate dargestellt.
PLD, bei denen dies irreversibel geschieht,
werden PAL genannt (Programmable Array
Logic).
Vergleichbare Bausteine existieren auch mit
reversibler Programmierung (GAL).
Dabei werden die Verbindungen intern in einer
ähnlichen Technologie abgespeichert, wie
in einem EEPROM.
Dr. Karsten Müller
Folie 13 (09/2015) V4 und V5
1.d) Steuergeräte
Programmierbare Logik, ASIC und FPGA
 Kombinationen mehrerer SPLD (Simple Programmable Logic Array) auf einem Chip
werden als CPLD bezeichnet (Complex PLD) genannt.
 Die höchste Flexibilität bieten FPGA (Field Programmable Gate Array), von einem
führenden Hersteller auch treffender LCA (Logic Cell Array) genannt. Diese bestehen
ähnlich einem CPLD aus einer Vielzahl vielseitiger Logikzellen, die ganz oder teilweise
beliebig untereinander verbunden werden können.
 Für den Entwickler stellt sich ein FPGA dar wie ein großer Vorrat von bis zu mehreren
Millionen Gattern und einigen Zigtausend Flipflops, aus denen er mit Hilfe eines
Schaltplans oder einer Beschreibung in Verilog oder VHDL auch hochgradig komplexe
Automaten entwickeln kann.
 Einige Hersteller integrieren auch unterschiedliche Spezialzellen in ein FPGA, z. B.
ganze Mikrocontrollerkerne (womit wir dann teilweise wieder bei einer Ablaufsteuerung
durch Software sind), Signalprozessoren, Kommunikationsschnittstellen oder sogar
analoge Baugruppen wie Leistungstreiber, Verstärker oder Filter..
Dr. Karsten Müller
Folie 14 (09/2015) V4 und V5
1.d) Steuergeräte
Programmierbare Logik, ASIC und ASSP
Dr. Karsten Müller
Folie 15 (09/2015) V4 und V5
2.a) Sensorik
Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren
 Mit steigenden Anforderungen an alle Fahrzeugfunktionen wurden sukzessive die
zunächst mechanisch realisierten Steuer- und Regelfunktionen durch elektronische
Einheiten (ECU, electronically controlled unit) ersetzt. Daraus entstand zwangsläufig
ein hoher Bedarf an Sensoren und Aktoren, mit denen diese elektronischen
Steuereinheiten einerseits die relevanten Fahrzeugzustände erfassen und anderseits
auch beeinflussen konnten.
 Die Elektronik im Pkw kann nur funktionieren, wenn die Sensoren , physikalische
Größen wie Temperatur, Drehzahl, Druck in elektrische Signale umwandeln und an das
Steuergerät weitermelden.
 Sensoren, je nach ihrem Einsatzort, sind im Auto oft extremen Bedingungen ausgesetzt sind , hängt von ihrer zuverlässigen Funktion der Erfolg der Motor‐Elektronik ab.
 Alle elektronische Systemen im Auto arbeiten nach dem Prinzip
− Eingabe ( Sensoren),
− Verarbeitung ( Steuergerät),
− Ausgabe( Aktoren).
Dr. Karsten Müller
Folie 16 (09/2015) V4 und V5
2.a) Sensorik
Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren
Sensoren
Dr. Karsten Müller
Folie 17 (09/2015) V4 und V5
2.a) Sensorik
Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren
Dr. Karsten Müller
Folie 18 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.a) Sensorik
Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren
Dr. Karsten Müller
Folie 19 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.b) Sensorik
Hauptanforderungen, Trends (1)
 Niedrige Herstellkosten: Die Zielkosten liegen hier –
im typischen Bereich von 1…30 € – oft weniger als
ein Hundertstel von konventionellen Sensoren
gleicher Leistungsfähigkeit.
 Hohe Zuverlässigkeit : Sie erfordern Maßnahmen,
wie z. B. Einsatz bester Materialien, redundante
Bestückung, Eigenüberwachung, (Kurzzeit-) Ersatzstromversorgung, Mehrfachprogrammierung von
kritischen Entscheidungsalgorithmen.
 Harte Betriebsbedingungen :sind entsprechend
ihrem Anbauort extremen Belastungen ausgesetzt
und müssen dort vielerlei Angriffen standhalten:
mechanisch (Vibration, Stöße), klimatisch
(Temperatur, Feuchte), chemisch (z. B. Spritzwasser, Salznebel, Kraftstoff, Motoröl, Batteriesäure), elektromagnetisch (Einstrahlung, leitungsgebundene
Störimpulse, Überspannungen,).
Dr. Karsten
Müller
Folie 20 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.b) Sensorik
Hauptanforderungen, Trends (2)
 Kleine Bauweise: die immer kompaktere Form der
Fahrzeuge anderseits bei gleichzeitig beibehaltenem Innenraumkomfort für die Passagiere
zwingt zu extrem kleinen Bauweisen. Der
wachsende Druck zur Kraftstoffeinsparung erfordert
auch eine konsequente Minimierung des
Fahrzeuggewichts. Dieses findet z.T. auch durch
die Integration auf dem IC Chip statt.
Dr. Karsten Müller
Folie 21 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.b) Sensorik
Hauptanforderungen, Trends (3)
 Hohe Genauigkeit: als „Intelligente Sensoren“
bezeichneten Mikrosysteme nutzen die im Sensor
steckende Genauigkeit voll aus und bieten folgende
Möglichkeiten:
− Entlastung des Steuergeräts,
− Einheitliche, flexible und busfähige
Schnittstelle,
− Mehrfachnutzung von Sensoren,
− Nutzung kleinerer Messeffekte sowie von
Hochfrequenz-Messeffekten (Verstärkung und
Demodulation vor Ort),
− Korrektur von Sensorabweichungen an der
Messstelle ,gemeinsamer Abgleich und Kompensation von Sensor und Elektronik, vereinfacht und verbessert durch Speicherung der
individuellen Korrekturinformationen im PROM.
Dr. Karsten Müller
Folie 22 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.b) Sensorik
Hauptanforderungen, Trends (4)
 Hohe Genauigkeit: Korrekturmodell eines Intelligenten
 Bei gleichzeitiger Erfassung und Digitalisierung der Störgrößen können intelligente
Sensoren unter Nutzung des mathematischen Sensormodells die gesuchte
Messgröße praktisch fehlerfrei berechnen
 Hierzu werden die exemplarspezifischen Modellparameter in einem
vorausgehenden, dem früheren Abgleich entsprechenden Vorgang bestimmt und in
einem zum Sensor integrierten PROM abgespeichert. Auf diese Weise lassen sich
nicht nur statische, sondern auch dynamische Eigenschaften der Sensoren
erheblich verbessern (Auswertung der das dynamische Verhalten beschreibenden
Differentialgleichung).
Dr. Karsten Müller
Folie 23 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
Gliederung nach Messgrößen (1)
 Hier sollen die für Messzwecke ausnutzbaren, wichtigsten physikalischen Effekte
bzw. Messprinzipien hier nur als eine grobe Übersicht wiedergegeben werden
Dr. Karsten Müller
Folie 24 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
Gliederung nach Messgrößen (2)
 Hier sollen die für Messzwecke ausnutzbaren, wichtigsten physikalischen Effekte
bzw. Messprinzipien hier nur als eine grobe Übersicht wiedergegeben werden
Dr. Karsten Müller
Folie 25 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
Gliederung nach Messgrößen (3)
Dr. Karsten Müller
Folie 26 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
Gliederung nach Messgrößen (4)
Dr. Karsten Müller
Folie 27 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.c) Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren
Gliederung nach Messgrößen (5)
Dr. Karsten Müller
Folie 28 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.d) Übersicht und Auswahl der
Sensortechnologien
Technologien (1)
 Die verschiedenen Sensortechnologien zur Nutzung der beschriebenen Messeffekte
sind naturgemäß eng mit den Messprinzipien verknüpft. Im Folgenden ist eine grobe
Übersicht zusammengestellt:
− Gewickelte oder photolithographisch hergestellte Induktionsspulen (mit
elektrischen oder magnetischen Leitstücken), Wirbelstrom- und
Kurzschlussringsensoren,
− Flux-Gate-Sonden (Metglas usw.) zur Magnetfeldmessung,
− Impulssprungsensoren (Wiegand),
− drahtgewickelte (induktivitätsfreie) Widerstände,
− Folienwiderstände (auf Kunststoffträger lamelliert),
− sinterkeramische Widerstände,
− Dünn- und Dickschichttechnik (besonders Widerstände und Kapazitäten),
− Halbleitertechnik (mono- oder polykristalline Widerstände, Sperrschichten,
− ladungsspeichernde Zellen usw.), Elektronik zur Signalaufbereitung: Si
(bipolar, CMOS, BICMOS, EEPROM), GaAs
Dr. Karsten Müller
Folie 29 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
2.d) Übersicht und Auswahl der
Sensortechnologien
Technologien (2)
− Mikromechanik (Silizium und andere Stoffe,
z. B. Quarz, Metall (LIGA-Technik) usw. ),
− Piezokeramik,
− Piezofolie,
− Isolierkeramik als Federwerkstoff (z. B. als
Drucksensormembran),
− Keramischer Feststoffelektrolyt (z. B. als
Sauerstoffsonde),
− Quarz und andere piezoelektrische Kristalle,
− Optische Lichtleitfasern oder –platten aus
Glas oder Kunststoff.
Dr. Karsten Müller
Folie 30 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.) Sensormessprinzipien
Technologie und Grundlegendes
 Jedes Steuergerät, das über Sensoren verfügt, ist zugleich ein Messgerät.
 Angeschlossene Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrische Größen um,
zur Verarbeitung dieser Größen genügt dieser Umwandlungsschritt jedoch nicht.
− So liegt die vom Sensor gelieferte elektrische Größe evtl. in einem nur schwer
nutzbaren Bereich und muss deshalb in einen anderen Bereich transformiert
werden.
− Fehlerhafte Signale müssen erkannt werden. Das Signal muss von Störungen
befreit werden.
− Das Signal muss digitalisiert werden, um vom Rechner letzen Endes als binär
dargestellte Zahl weiter verarbeitet zu werden.
− Da der Zusammenhang zwischen einer Messgröße und dem Sensorsignal häufig
nicht linear ist, also nicht einfach durch einen konstanten Umrechnungsfaktor
ausgedrückt werden kann, muss der Rechner das Verhalten des Sensors kennen,
um aus der gemessenen Größe wieder auf die ursprüngliche physikalische Größe
schließen zu können.
Dr. Karsten Müller
Folie 31 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Positionssensoren erfassen ein- oder mehrdimensional Weg- und Winkelpositionen
 (translatorische und rotorische Größen) unterschiedlichster Art und unterschiedlichster
Bereiche. Dazu gehören auch Abstände, Entfernungen, Verschiebungen (engl.:
displacement), Füllstände und selbst kleinste Dehnungen – also alles, was sich in
Meter und Winkelgrad messen lässt.
Fahrpedalgeber
digital angesteuerten
Drosselklappensensor
Motordrehzahl- und
Positionssensoren für
Motorenmanagement
Dr. Karsten Müller
Folie 32 (09/2015) V4 und V5
weitere
Sensoren
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Potenziometersensoren
Vorteile von Potenziometersensoren
 Niedrige Kosten,
 einfacher, übersichtlicher Aufbau,
 sehr großer Messeffekt; (Messhub ≈
Versorgungsspannung),
 keine Elektronik erforderlich,
 gute Störspannungsfestigkeit,
 weiter Betriebstemperaturbereich (< 250°C),
 hohe Genauigkeit (besser 1 % vom Endwert
des Messbereichs),
Nachteile von Potenziometersensoren
 Mechanischer Verschleiß durch 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.
 weiter Messbereich (fast 360° möglich),
 problemlose Redundanzausführung,
 Abgleichbarkeit (Laserablation usw.),
 flexible Kennlinie (variable Bahnbreite),
 flexible Montage (ebene bzw. gekrümmte
Fläche),
 zahlreiche Hersteller,
 schnelle Bemusterung.
Dr. Karsten Müller
Folie 33 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Potenziometersensoren
Anwendung
 Fahrpedalsensor bzw. Fahrpedalmodul zur Erfassung des
Drehmomentwunsches für das Motormanagement,
 Tankfüllstandsensor (Bild 2),
 Stauscheiben-Potentiometer (KE- und L-Jetronic) zur Erfassung
der vom Motor angesaugten Luftmenge,
 Drosselklappenwinkelsensor zur Erfassung der Stellung der
Drosselklappe beim Ottomotor (Bild 5)..
Bild 2
1 Elektrische
Anschlüsse
2 Schleiferfeder
3 Kontaktniet
4 Widerstandsplatine
5 Lagerstift
6 Doppelkontakt
7 Schwimmerhebel
8 Schwimmer
9 Boden des Kraftstoffbehälters
Dr. Karsten Müller
Folie 34 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetisch induktive Sensoren (Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren)
Vorteile von Magnetisch induktive
Sensoren
Nachteile von Magnetisch induktive
Sensoren
 besonders störunempfindlich und robust.
 Die hierfür erforderlichen
Spulenanordnungen benötigen jedoch
im Vergleich zu mikromechanischen
Sensoren weit mehr Bauraum, bieten
also z. B. keine günstige Möglichkeit
für einen redundanten (parallel
messenden) Aufbau.
 Dies gilt insbesondere für
wechselstrombasierte, also magnetisch
induktive Prinzipien.
Bild 6
 Darüber hinaus stellt die erforderliche
Spulenkontaktierung einen weniger
günstigen Kosten- und
Zuverlässigkeitsfaktor dar..
1 Dämpferscheibe
2 Wirbelströme
3 Luftspule
4 Oszillator variabler
Dämpfung
5 Demodulator
s Messweg
A(s) Oszillatorspannung
UA(s) Ausgangsspannung
Dr. Karsten Müller
Folie 35 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetisch induktive Sensoren (Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren)
Vorteile von Magnetisch induktive Sensoren
 besonders störunempfindlich und robust.
 Wegen des Eisenkerns besitzen solche
Sensoren eine weit größere Induktivität als
Wirbelstromsensoren und wegen der durch
den Eisenkern sehr konzentrierten Führung
des magnetischen Flusses auch einen weit
höheren Messeffekt.
Bild 7
1 Darstellung für zwei verschiedene
Messwege
1 Kurzschlussring
2 weichmagnetischer Kern
3 Spule
I Strom
IW Wirbelstrom
L(s) Induktivität und
Φ(s) magnetischer Fluss beim Messweg s
Dr. Karsten Müller
Folie 36 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetisch induktive Sensoren (Wirbelstrom- und Kurzschlussringsensoren)
Wirkprinzip
 Der Halbdifferenzial-Kurzschlussringsensor mit beweglichem
Mess- und festem Referenzkurzschlussring ist sehr genau;
seine Auswertung erfolgt als induktiver Spannungsteiler
(Auswertung der Induktivitäten
 L1/L2, bzw. (L1 – L2)/(L1 + L2) oder
 auch als frequenzbestimmendes Glied einer Schwingschaltung
zur Erzeugung eines frequenzanalogen Signals (sehr
störsicher, leicht digitalisierbar).
Bild 9
Aufbau des Winkelsensors im Mengenstellwerk von DieselVerteilereinspritzpumpen
1 Messspule
2 Messkurzschlussring
3 weichmagnetischer Kern
4 Regelschieberwelle
5 Referenzspule
6 Referenzkurzschlussring (fest stehend)
ϕ Messwinkel
wmax
Dr. Karsten
Müller Verstellwinkelbereich
Folie 37 (09/2015) V4 und V5
der Regelschieberwelle
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetisch induktive Sensoren (Hella Sensor)
Vorteile von Magnetisch induktive Sensoren (Hella Sensor)
 sehr günstigen Herstellkosten
 Kontakt und verschleißfreies Messprinzip,
 völlige Temperaturunabhängigkeit (bis 150°C),
 hohe Genauigkeit (bei einem Messbereich von 360° bis ca. ±0,09°),
 Flexibilität (anpassbar auf alle Winkelbereiche bis 360°),
 Möglichkeit eines redundanten Aufbaus,
 hohe EMV-Sicherheit,
 ausschließliche Verwendung von Standardmaterialien ohne
Notwendigkeit von ferromagnetischen Teilen,
 flache Bauweise..
Bild 10
a Schematischer Aufbau
b Beschaltung
c Ausgangssignale
Dr. Karsten Müller
Folie 38 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetostatische Sensoren
Vorteile von Magnetostatische Sensoren
 eignen sich im Gegensatz zu den magnetisch induktiven (Spulen)Sensoren weit besser zur Miniaturisierung
 lassen sich mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik kostengünstig
herstellen.
 messen ein magnetisches Gleichfeld und da Gleichfelder problemlos
durch Gehäusewandungen aus Kunststoff, aber auch aus nicht
ferromagnetischem Metall durchgreifen, haben magnetostatische
Sensoren den Vorteil, dass sich der sensitive, im Allgemeinen
feststehende Teil gegenüber dem rotorischen – im Allgemeinen ein
Dauermagnet oder weichmagnetisches Leitstück – und gegenüber
der Umwelt gut kapseln und schützen lässt.
Bild 11
a Schaltung
b Verlauf der Hallspannung UH
c Zunahme des Plättchenwiderstands R (Gauß-Effekt)
B magnetische Induktion
I Plättchenstrom; IH Hallstrom; IV Versorgungsstrom
UR Längsspannung; a Ablenkung der Elektronen durch
Magnetfeld
Dr. Karsten Müller
Folie 39 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetostatische Sensoren
Wirkweise
 Beim Doppel-Hall-Sensor (Differenzial-Hall-Sensor, Bild 14) sind zwei
vollständige Hall-Systeme in definiertem Abstand auf einem Chip
angeordnet. Die zugehörige Elektronik wertet die Differenz der beiden HallSpannungen aus. Diese Sensoren haben den Vorteil, dass ihr
Ausgangssignal vom Absolutwert der magnetischen Feldstärke weitgehend
unabhängig ist und sie als Differenzialsensor nur die räumliche Änderung
der magnetischen Induktion erfassen, also den Feldgradienten (daher oft
auch die Bezeichnung Gradientensonde).
Anwendung
 werden meistens zur Drehzahlmessung eingesetzt, da die Polarität ihres
Ausgangssignals nicht vom Luftspalt zwischen Rotor und Sensor abhängt.
Bild 14
Aufbau
b Feldverlauf (1,5facher Inkrement abstand)
c Signalverlauf für Luftspaltweiten L
1 Zahnkranz
2 Differenzial-Hall-IC
3 Homogenisierplatte (Weicheisen)
4 Permanentmagnet
Dr. Karsten Müller
Folie 40 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetostatische Sensoren (Hall-Winkelsensoren bis 180°)
Wirkweise
 Mit einem drehbaren Magnetring („Movable Magnet“) sowie einigen feststehenden
weichmagnetischen Leitstücken lässt sich auch für größere Winkelbereiche ohne
Umrechnung direkt ein lineares Ausgangssignal erzielen (Bild 15). Hierbei wird das
bipolare Feld des Magnetringes durch einen zwischen halbkreisförmigen
Flussleitstücken angeordneten Hall-Sensor geleitet. Der wirksame magnetische
Fluss durch den Hall-Sensor ist abhängig vom Drehwinkel ϕ.
 Anwendung
 Fahrpedalsensor.
Bild 15
Lineare Kennlinie für Winkel bis 180°
a Position a
b Position b
c Ausgangssignal
1 Eisenrückschluss (Weicheisen)
2 Stator (Weicheisen)
3 Rotor (Permanentmagnet)
4 Luftspalt
Bild 16
a Aufbau
b Kennlinie mit Arbeitsbereich A
1 Rotorscheibe (dauermagnetisch)
2 Polschuh
3 Flussleitstück
4 Luftspalt
5 Hall-Sensor
6 Achse (weichmagnetisch)
5 Hallsensor
ϕ Drehwinkel
Dr. Karsten Müller
Folie 41 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Magnetostatische Sensoren (Feldplattensensoren)
Wirkweise
 Neben dem transversal gerichteten Hall-Effekt tritt an Halbleiterplättchen auch noch
ein longitudinaler Widerstandseffekt, auch Gauß-Effekt genannt, auf. Elemente, die
diesen Effekt nutzen, sind als „Feldplatten“ (Handelsname Siemens) bekannt und
werden aus einem III-V-Halbleiter, kristallinem Indiumantimonid (InSb), hergestellt..
Bild 23
Magnetische Ansteuerung eines FeldplattenDifferenzialsensors zur Zahnradabtastung
(inkrementale Winkelmessung,
Drehzahlsensierung)
1 Feldplattenwiderstand R1, R2
2 weichmagnetisches Substrat
3 Dauermagnet
4 Zahnrad
U0 Versorgungsspannung
UA Ausgangsspannung
bei Drehwinkel ϕ
Dr. Karsten Müller
Folie 42 (09/2015) V4 und V5
Bild 22
Winkelmessung bis zu 360° mit
einer kreisförmigen äquidistanten
Anordnung von einfachen
Hallschaltern
1 Gehäuse mit Permanentmagneten
2 Codescheibe
3 Leiterplatte mit Hallschaltern
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Anisotrop magnetoresistive Sensoren (AMR)
Wirkweise
 Dünne, etwa nur 30…50 nm starke NiFe-Legierungsschichten, zeigen
elektromagnetisch anisotropes Verhalten. Das heißt, ihr elektrischer Widerstand
verändert sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes.
 Widerstandsstrukturen dieser Art werden daher auch englisch als anisotropic
magneto resistive (abgekürzt AMR) elements, zu deutsch AMR-Elemente bzw. AMR
Sensoren bezeichnet. Die im Allgemeinen verwendete Metalllegierung ist auch als
Permalloy bekannt.
 Die Messempfindlichkeit der Pseudo-Hall-Elemente lässt sich noch beträchtlich
steigern (ohne die Sinusform allzu sehr zu verfälschen), wenn die ursprünglich
vollflächigen Elemente von „innen her“ ausgehöhlt werden, sodass nur noch der
Rahmen stehen bleibt (Bild 26b). Durch diese Modifikation geht der Pseudo-HallSensor auch seiner geometrischen Form nach in eine Vollbrücke aus vier AMRWiderständen über (Bild 26c).
Dr. Karsten Müller
Folie 43 (09/2015) V4 und V5
Bild 26
a Vollflächige Grundform
b abgewandelte Form mit ausgehöhlter
Fläche
c elektrisches Ersatzschaltbild für Form b
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Anisotrop magnetoresistive Sensoren (AMR)
Wirkweise
 jedes Material hat spez. Widerstand ρ
− ohne Einfluss Magnetfeld: ρ(0)
 ρ ändert sich unter Einfluss eines externen Magnetfelds
− -> magnetoresistiver Effekt
 tritt auf bei
− magnetischen Materialien (techn. nutzbar)
− nicht-magnetischen Materialien (sehr gering)
− Mehrlagenstrukturen
− ρ abhängig von Größe und Richtung des Magnetfelds (ρ(H))
 Widerstandsänderung: Nun kommt es darauf an, wie der Stromdichtevektor des
durch das Material fließenden Stroms und der Magnetfeldvektor der internen
Magnetisierung zueinander stehen. Stehen sie senkrecht aufeinander, so ist der
Widerstand des Materials minimal, sind sie parallel zueinander so ist der
Widerstand maximal.
Dr. Karsten Müller
Folie 44 (09/2015) V4 und V5
 ohne ext. Magnetfeld: ρ(0)
 fester Betrag H - zwei Extreme:
− Magnetfeld orthogonal zu
Stromfluss: ρ(H) minimal
− Magnetfeld parallel zu
Stromfluss: ρ(H) maximal
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Giant Magnetoresistive Sensoren (GMR)
Wirkweise
 Die GMR-Sensortechnologie wurde vor wenigen Jahren entwickelt und findet jetzt
erste Anwendungen bei der Winkel- und Drehzahlsensierung im Kfz-Bereich.
 Die wesentlichen Vorteile der GMR- gegenüber den AMR-Sensoren sind der
natürliche 360°-Eindeutigkeitsbereich bei der Winkelsensierung und die höhere
Magnetfeldempfindlichkeit bei der Drehzahlsensierung.
 Anders als die AMR-Sensoren bestehen die GMR-Sensoren nicht nur aus einer
magnetischen Funktionsschicht, sondern vielmehr aus einem komplexen
Schichtsystem.
 Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Systeme:
 Zum einen die GMR-Multilagen mit typischerweise ca. 20 Sequenzen aus
alternierend weichmagnetischen und nichtmagnetischen Einzelschichten
(Bild 34a).
 Zum anderen die GMR-Spinvalves, bestehend aus antiferromagnetischen,
ferromagnetischen und nichtmagnetischen Funktionsschichten.
Bild 34
 Die Einzelschichtdicken liegen bei beiden Systemen im Bereich 1…5 nm, umfassen a Aufbau
also nur wenige Atomlagen.
b Widerstandsänderung in Abhängigkeit
des magnetischen Feldes
FM Weichmagnetische Einzelschicht
NM nichtmagnetische Einzelschicht
Dr. Karsten Müller
Folie 45 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Giant Magnetoresistive Sensoren (GMR)
Wirkweise
 Ein GMR-Winkelsensor besteht wie ein AMR-Winkelsensor aus zwei Vollbrücken,
von denen die eine ein Kosinus- und die andere ein Sinussignal in Abhängigkeit
der äußeren Feldrichtung liefert (Bild 37).
 Die hierfür erforderlichen unterschiedlichen magnetischen Referenzrichtungen
MR werden durch lokales Aufheizen der einzelnen Brückenwiderstände und
Abkühlung bei anliegendem Magnetfeld geeigneter Orientierung erzeugt.
 Durch Arctan-Verknüpfung der beiden Brückensignale kann die Feldrichtung
eindeutig über dem vollen Winkelbereich von 0°…360° bestimmt werden.
Bild 37
a Layout
b Beschaltung
MR magnetische Referenzmagnetisierung
Dr. Karsten Müller
Folie 46 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Wellenausbreitungssensoren
− Die Sensorentwicklung konzentrierte sich in den letzten Jahren zunehmend auf Sensoren, die das nähere und
weitere Umfeld, d. h. den Abstand zu anderen Fahrzeugen bzw. Verkehrsteilnehmern und zu Hindernissen erfassen.
− Die Fahrzeugrundumsicht (Bild 38) ermöglicht Systeme, die die Sicherheit erhöhen und die Fahrzeugführung
unterstützen (Fahrerassistenzsysteme).
Bild 38
1
77 GHz Long Range Radar, Fernbereich ≤ 200 m, horizontaler Öffnungswinkel, ± 8°
2
Infrarot, Nachtsichtbereich ≤ 150 m, horizontaler Öffnungswinkel, ± 10°
3
Video, Mittelbereich ≤ 80 m, horizontaler Öffnungswinkel ± 22°
4
Ultraschall, Ultranahbereich ≤ 3 m, horizontaler Öffnungswinkel ± 60°
5
Video, Heckbereich, horizontaler Öffnungswinkel ± 60°
Dr. Karsten Müller
Folie 47 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Ultraschalltechnik
Wirkweise
 Für die Abstandsmessung zwischen Fahrzeug und einem Hindernis werden im
Erkennungsbereich bis ca. 2,5 m Ultraschallsensoren eingesetzt. Damit lässt sich
die Umgebung des Fahrzeugs beim Ein- und Ausparken, beim Rangieren und
Rückwärtsfahren überwachen (Einparkhilfe).
 Analog zum Echolotverfahren senden Ultraschallsensoren Ultraschallimpulse mit
einer Frequenz von ca. 43,5 kHz aus und detektieren das Zeitintervall zwischen
Aussenden der Impulse und Eintreffen der von Hindernissen reflektierten
Echoimpulse (Bild 39).
 Der Abstand l zwischen Sensor und nächstgelegenen Hindernis ergibt sich aus
der Laufzeit te des zuerst eintreffenden Echoimpulses und der
Schallgeschwindigkeit c in Luft (ca. 340 m/s):
l = 0,5 * te * c
 Im vorderen und hinteren Bereich des Fahrzeugs werden jeweils bis zu sechs
 Sensoren eingesetzt. Damit ergibt sich ein großer Erfassungswinkel für die
Umfeldsensierung.
 Der geometrische Abstand a eines Hindernisses zur Fahrzeugfront wird mit dem
Triangulationsverfahren aus den Messergebnissen (Entfernung b und c) zweier
Ultraschallsensoren bestimmt, die im Abstand d zueinander angebracht sind (Bild
40). Der Autofahrer erhält beim Annähern an ein Hindernis ein optisches und/oder
akustisches Signal.
Dr. Karsten Müller
Folie 48 (09/2015) V4 und V5
Bild 39
Prinzip der Abstandsmessung mittels
Ultraschall
a Aufbau
b Signalverlauf
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3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Ultraschalltechnik
Wirkweise
 Die Detektionscharakteristik ist asymmetrisch ausgebildet (Bild 41). Der
Erfassungswinkel in der Vertikalen ist geringer gegenüber der Horizontalen,
um zu verhindern, dass z. B. Bodenunebenheiten als Hindernis erkannt
werden.
Bild 40
a Abstand Stoßfänger zu Hindernis
b Abstand Sensor 1 zu Hindernis
c Abstand Sensor 2 zu Hindernis
d Abstand Sensor 1 zu Sensor 1
1, 2 Sende- und Empfangssensor
3 Hindernis
Bild 41
1 horizontal
2 vertikal
Dr. Karsten Müller
Folie 49 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Radartechnik (1)
Wirkweise
 Für die Umfeldsensierung bis zu Entfernungen von 200 m wird Radar (Radio Detection and Ranging) eingesetzt.
 Radargeräte senden elektromagnetische Wellen aus, die an metallischen Oberflächen reflektieren und vom Empfangsteil
des Radargeräts wieder empfangen werden.
 Aus dem Vergleich von empfangenem Signal mit dem ausgesendeten Signal bezüglich Zeit und/oder Frequenz kann der
Abstand und die Relativgeschwindigkeit zu dem reflektierenden Objekt ermittelt werden.
 Bei der direkten Laufzeitmessung wird die Zeitdauer t gemessen. Diese ergibt sich bei direkter Reflexion durch den
doppelten Abstand d zum Reflektor und der Lichtgeschwindigkeit c zu:
t = 2d/c
 Bei einem Abstand von d = 150 m und c ≈ 300 000 km/s beträgt die Laufzeit t ≈ 1 μs.
 Eine direkte Laufzeitmessung ist aufwändig. Einfacher ist eine indirekte Laufzeitmessung. Das Verfahren ist als FMCW
(Frequency Modulated Continuous Wave) bekannt. Statt des Vergleichs der Zeiten zwischen Sendesignal und
Empfangsecho werden beim FMCW-Radar die Frequenzen zwischen Sendesignal und Empfangsecho verglichen.
Dr. Karsten Müller
Folie 50 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Radartechnik (2)
Wirkweise
 Beim FMCW-Verfahren werden linear in der Frequenz
modulierte Radarwellen mit einer Dauer von typischerweise
einigen Millisekunden und einem Hub von einigen hundert
MHz ausgesandt (fs, durchgezogene Kurve in Bild 42).
 Das an einem vorausfahrenden Fahrzeug reflektierte Signal ist
entsprechend der Signallaufzeit verzögert (fe, gestrichelte
Linie in Bild 42).
 In der ansteigenden Rampe ist es somit von niedrigerer
Frequenz, in der abfallenden Rampe von einer um den
gleichen Betrag höherer Frequenz. Die Frequenzdifferenz Df ist
ein direktes Maß für den Abstand.
Bild 42
fs Sendesignal
fe Empfangssignal bei gleicher Geschwindigkeit
fe' Empfangssignal bei vorhandener
Relativgeschwindigkeit
Dr. Karsten Müller
Folie 51 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Radartechnik (3)
Wirkweise
 Besteht zusätzlich noch eine Relativgeschwindigkeit zwischen
den Fahrzeugen, so wird die Empfangsfrequenz fe wegen des
Dopplereffektes sowohl in der aufsteigenden wie auch in der
abfallenden Rampe um einen bestimmten Betrag Dfd erhöht
(fe', gepunktete Linie in Bild 42).
 Hierdurch ergeben sich zwei unterschiedliche
Frequenzdifferenzen Df1 und Df2. Ihre Addition ergibt den
Abstand, ihre Subtraktion die Relativgeschwindigkeit der
Fahrzeuge zueinander.
 Die Signalverarbeitung im Frequenzbereich liefert somit für
jedes Objekt eine Frequenz, die sich als Linearkombination je
eines Terms für Abstand und Relativgeschwindigkeit ergibt.
Aus den gemessenen Frequenzen von zwei Rampen mit
verschiedener Steigung lassen sich somit für ein Objekt
Abstand und Relativgeschwindigkeit bestimmen.
 Für Szenarien mit mehreren Zielen sind mehrere Rampen
unterschiedlicher Steigung erforderlich.
Dr. Karsten Müller
Folie 52 (09/2015) V4 und V5
Bild 42
fs Sendesignal
fe Empfangssignal bei gleicher Geschwindigkeit
fe' Empfangssignal bei vorhandener
Relativgeschwindigkeit
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.a) Sensormessprinzipien
Positionssensoren
 Radartechnik (3)
Wirkweise
 Doppler-Effekt : Obwohl sich aus aufeinander folgenden Messungen des
Abstands die Relativgeschwindigkeit des Messobjekts bestimmen lässt,
kann diese Messgröße schneller, zuverlässiger und genauer durch die
Nutzung des Doppler-Effekts gemessen werden.
 Für ein sich relativ zum Radarsensor bewegendes Objekt
(Relativgeschwindigkeit vrel) erfährt das Signalecho gegenüber dem
abgestrahlten Signal eine Frequenzverschiebung fD. Diese beträgt bei den
hier relevanten Differenzgeschwindigkeiten:
fD = -2fC * vrel/c
 Dabei ist fC die Trägerfrequenz des Signals.
 Bei den für ACC gebräuchlichen Radarfrequenzen von fC = 76,5 GHz
ergibt sich eine Frequenzverschiebung von fD ≈ -510 * vrel/m, also 510 Hz
bei -1 m/s Relativgeschwindigkeit (Annäherung).
 Messen des Winkels : Als dritte Basisgröße wird die seitliche Lage des
Radarobjekts gesucht. Diese kann nur bestimmt werden, wenn der
Radarstrahl in verschiedene Richtungen abgestrahlt wird und aus den
Signalen die Richtung mit der stärksten Reflektion bestimmt wird. Dazu
ist entweder ein schnelles Schwenken („Scannen“) eines Strahls oder
eine mehrstrahlige Antennenanordnung notwendig.
Dr. Karsten Müller
Folie 53 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.b) Sensormessprinzipien
Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren
 Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren messen den pro Zeiteinheit zurückgelegten
Winkel oder Weg. In beiden Fällen handelt es sich im Kraftfahrzeug meist um relative
Messgrößen, die zwischen zwei Teilen auftreten oder aber auch gegenüber der
Fahrbahn bzw. einem anderen Fahrzeug. Aber auch die absolute Drehgeschwindigkeit
im Raum bzw. um die Fahrzeugachsen ist zu messen (Drehrate).
Verschiedene
Drehzahlsensoren
Motordrehzahl- und
Positionssensoren für
Motorenmanagement
Dr. Karsten Müller
Folie 54 (09/2015) V4 und V5
TCS = Traction Control System
Honda
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.b) Sensormessprinzipien
Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren
Bild 1
a Inkrementsensor
b Segmentsensor
c Drehzahlsensor
 Messprinzipien
Wirkweise
 Die Messung geschieht dabei meist mithilfe eines
inkrementalen Aufnehmersystems, bestehend aus Zahnrad
und Drehzahlsensor.
 Jedoch sind z. B. optische und kapazitive Aufnehmer für die
rauen Betriebsbedingungen im Kraftfahrzeug sehr wenig
geeignet. Praktisch ausschließlich bevorzugt werden
magnetisch wirkende Sensoren.
 folgende zusätzlichen Eigenschaften sind bei neuen Sensoren
angestrebt:
− Statische Erfassung (d. h. Drehzahl null bzw. extrem
niedrige Anlass- oder Raddrehzahlen),
− größere Luftspalte (nicht justierte Montage auf Luftspalt
> 0),
− geringe Baugröße,
− Unabhängigkeit von Luftspaltschwankungen,
− Temperaturbeständigkeit (≤ 200°C),
− Drehrichtungserkennung (optional für Navigation) und
− Bezugsmarkenerkennung (Zündung).
Dr. Karsten Müller
Folie 55 (09/2015) V4 und V5
Bild 2
a Gabelform (Blenden- oder Schrankenprinzip
b Stabform (Annäherungsprinzip)
dL Luftspaltweite
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.b) Sensormessprinzipien
Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren
 Induktive Sensoren
Wirkweise
 Ein Magnetfeld erstreckt sich über den Polstift bis hinein in
das Impulsrad. Der magnetische Fluss durch die Spule hängt
davon ab, ob dem Sensor eine Lücke oder ein Zahn des
Impulsrads gegenübersteht.
 Ein Zahn bündelt den Streufluss des Magneten. Es kommt zu
einer Verstärkung des Nutzflusses durch die Spule. Eine Lücke
dagegen schwächt den Magnetfluss. Diese Magnetflussänderungen induzieren in der Spule eine zur Änderungsgeschwindigkeit und damit Drehzahl proportionale
sinusähnliche Ausgangsspannung(wenige mV bis > 100 V). .
1 Zahn
2 Zahnlücke
3 Bezugsmarke
Dr. Karsten Müller
Folie 56 (09/2015) V4 und V5
Bild 4
1 Stabmagnet
2 weichmagnetischer Polstift
3 Induktionsspule
4 Luftspalt dL
5 ferromagnetisches Zahnrad (oder Rotor bzw. Impulsrad)
6 Umfangs bzw. Bezugsmarke
λ Zahnabstand
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor, der die Beschleunigung die auf eine
Testmasse wirkt misst. Er detektiert also eine Geschwindigkeits ab- oder zunahme.
 Der Beschleunigungssensor ist auch bekannt unter den Namen
Beschleunigungsmesser, Accelerometer, G-Sensor oder B-Messer.
 Alle dieser Sensoren können auch statische Beschleunigungen messen, was ihnen
ermöglicht, die Lage oder Neigung eines Gegenstandes zu messen. Auch zur
Vibrationsmessung sind die meisten der Sensoren geeignet
fünfte Generation
mikromechanischer
Beschleunigungssensoren von
Bosch mit dem zweiachsigen
Modell SMA560 für AirbagSteuergeräte.
Dr. Karsten Müller
Folie 57 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
Anwendung
 zur Klopfregelung bei Ottomotoren,
 zum Auslösen von Rückhaltesystemen (z. B. Airbag und
Gurtstraffer) und
 zum Erfassen von Beschleunigungen des Fahrzeugs für
das Antiblockiersystem (ABS) oder das Elektronische
Stabilitätsprogramm (ESP) bzw.
 zum Bewerten der Karosseriebeschleunigung für Systeme
der Fahrwerksregelung.
 Messgröße ist die Beschleunigung a, die oft als Vielfaches
der Fallbeschleunigung g (1 g ≈ 9,81 m/s2) angegeben
wird (typische Werte für Kfz siehe Tabelle 1).
Dr. Karsten Müller
Folie 58 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
Messprinzipien
 Hierbei gibt es, wie bei der Kraftmessung, sowohl wegmessende als auch die mechanische Spannung messende
Systeme.
Dr. Karsten Müller
Folie 59 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Piezoresistiv
Wirkweise
 Piezoelektrisch aktive Keramiken werden durch Sintern aus
fein gemahlenen Ferroelektrika hergestellt. Damit bestehen
diese Keramiken aus einer Vielzahl von kleinsten Kristallen,
die räumlich beliebig orientiert sind. Diese werden während
der Herstellung durch Anlegen einer hohen elektrischen
Feldstärke polarisiert. Dadurch werden die regellos
orientierten Polarisationen der Mikrokristalle weitgehend
ausgerichtet.
 Eine Depolarisation und damit ein Verlust der
piezoelektrischen Eigenschaften kann bei Piezokeramiken
durch Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur, durch
intensive mechanische Belastungen oder durch Polarisation
mit entgegengesetzten Feldstärken hervorgerufen werden.
 Die erzeugten Ladungen fließen über den äußeren Widerstand
des Messkreises bzw. auch über den inneren Widerstand des
Piezosensors ab.
 Solche Sensoren können also nicht statisch, sondern nur
dynamisch messen. Die typischen Grenzfrequenzen dieses
Hochpassverhaltens liegen je nach Anwendung oberhalb von
1 Hz.
Dr. Karsten Müller
Folie 60 (09/2015) V4 und V5
Bild 4
a Im Ruhezustand
b bei Verbiegung, oben gedehnt (« > 0),
unten gestaucht (« < 0)
1 Polarisationsrichtung
F Messkraft
U Gesamtspannung
U1, U2 Teilspannungen
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Piezoelektrisch
Wirkweise
 Die Messwerterfassung erfolgt über ein piezoelektrisches Element. Zum Einsatz kommen beispielsweise Keramiken wie
Barium- und Blei-Zirkonium-Titanat, Quarz, Zinkoxid oder Polymere wie PVDF
 Piezoelektrische Kristalle wie Quarz reagieren bei einer Krafteinwirkung mit einer dielektrischen Ladungsverschiebung.
Dadurch entstehen in den Elementarzellen des Kristalls induzierte Dipolmomente, die sich ausrichten und damit zur
Verschiebungspolarisation des Materials führen. Auf der Oberfläche entstehen dann Oberflächenladungen, die zum
Aufbau eines elektrischen Feldes führen. Mittels angebrachten Elektroden kann eine elektrische Spannung gemessen
werden. Generell ermöglichen piezoelektrische Beschleunigungssensoren nur dynamische Messungen - sie reagieren nur
auf Kraftänderungen.
Bild 3
a Longitudinaleffekt
b Transversaleffekt
c Schubeffekt
F Kraft
Q Ladung
Dr. Karsten Müller
Folie 61 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Kapazitiv
Wirkweise
 Die Auslenkung des Probekörpers führt zu einer
Änderung der Kapazität der Anordnung. Der
Probekörper ist als eine Kondensatorelektrode
realisiert. Eine zweite Elektrode ist fest mit dem
Gehäuse verbunden. Erfährt diese Anordnung eine
Beschleunigung, so ändert sich deshalb der Abstand
zwischen den Kondensatorelektroden und damit die
Kapazität C des Kondensators.
 Verschiebt sich der Probekörper um Δd aus der
Mittelstellung d0, dann ändern sich die beiden
Kapazitäten C1 und C2 symmetrisch um +/- C . Diese
gegensinnige Kapazitätsvariation wird durch eine
Brückenschaltung, wie sie in Abbildung 8 dargestellt
ist, ausgewertet.
Dr. Karsten Müller
Folie 62 (09/2015) V4 und V5
Bild 7
Prinzip eines Differentialkondensators
in einem Beschleunigungssensor
Bild 8
Schaltung zum Auswerten eines
Differentialkondensators
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Kapazitiv
Wirkweise
 Moderne Sensorelemente sind mikromechanische Bauteile, das heißt, dass sie die Größe von einigen 100 μm haben. Die
Kapazitäten dieser Differential-kondensatoren liegen im Picofarad-Bereich und die Kapazitätsänderungen im Bereich
einiger Femtofarad. Wegen dieser kleinen Kapazitäten ist es notwendig, die Auswerteelektronik auf dem Sensorchip zu
integrieren.
 Ein großer Vorteil kapazitiver Sensoren ist die Möglichkeit, mit den Kondensatoren eine elektrostatische Rückstellkraft zu
erzeugen. Zwischen den elektrisch geladenen Platten eines Kondensators wirkt eine anziehende elektrostatische Kraft
gemäß dem Coulombschen Gesetz.
 Um eine große Dämpfung der Bewegung des Probekörpers zu erzielen, wird deshalb eine Kompensationsspannung an
den Elektroden von C1 und C2 angelegt, die durch ein Rückkoppelsystem am Sensorausgang gesteuert wird. Die dadurch
erzeugte Kraft führt bei geeigneter Dimensionierung zu einer Stabilisierung der Ruhelage des Differentialkondensators.
Durch diese elektrische Regelschleife kann eine verbesserte Linearität, eine höhere Empfindlichkeit und größerer
Beschleunigungsbereich erreicht werden
Bild 9
Prinzip eines kapazitiven
Beschleunigungssensors
Dr. Karsten Müller
Folie 63 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Beschleunigungssensoren
 Thermisch
Wirkweise
 Thermische Beschleunigungssensoren erzeugen eine „Blase
erhitzten Gases“ über einem Heizelement. Der engräumig erhitzte
Gasbereich besitzt eine geringere Dichte als das umgebende,
kühlere Gas.
 Beim Auftreten einer lateralen Beschleunigung verlagert sich der
Gasbereich geringer Dichte innerhalb des umgebenden, kühleren
Gases. Die dadurch entstehende Asymmetrie wird über
Thermoelemente oder Widerstände als Brückenschaltung erfasst.
Die Brückenspannung stellt das Beschleunigungssignal dar.
Bild 6
Beschleunigung a = 0
b Beschleunigung a > 0
1 Erhitzter Gasbereich
2 Heizelement
3 Temperatursensor
4 Trägerschicht
5 verlagerter Heißbereich
Dr. Karsten Müller
Folie 64 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.d) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
 Die Messgröße Druck ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits
wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Sie pflanzt sich in Flüssigkeiten, jedoch auch
noch sehr gut in galertartigen Substanzen und weichen Vergussmassen fort.
 Zur Messung dieser Drücke gibt es dynamisch und statisch wirkende
Messwertaufnehmer, die Druckmessung erfolgt zumeißt direkt, über
Membranverformung.
Drucksensor-basiertes
Fußgängerschutzsystem (PPS
pSAT).
Reifendruckkontrollsysteme.
Dr. Karsten Müller
Folie 65 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
Anwendung
− Saugrohr- bzw. Ladedruck (1…5 bar) bei Benzineinspritzung,
− Bremsdruck (10 bar) bei elektropneumatischen Bremsen,
− Luftfederdruck (16 bar) bei luftgefederten Fahrzeugen,
− Reifendruck (5 bar absolut) bei Reifendruckkontrolle,
− Hydraulikvorratsdruck (ca. 200 bar) bei ABS und Servolenkung,
− Stoßdämpferdruck (ca. 200 bar) bei Fahrwerkregelung,
− Kühlmitteldruck (35 bar) bei Aircondition-Systemen,
− Modulationsdruck (35 bar) bei Getriebeautomaten,
− Bremsdruck in Haupt- und Radzylinder (200 bar) sowie
automatische Giermomentkompensation bei elektronisch
gesteuerter Bremse,
− Über-/Unterdruck der Tankatmosphäre (0,5 bar),
− Brennraumdruck (100 bar, dynamisch) für Zündaussetzer- und
Klopferkennung
− Elementdruck der Dieseleinspritzpumpe (1 000 bar, dynamisch)
bei Elektronischer Dieselregelung,
− Kraftstoffdruck bei Diesel Common Rail (bis 2 000 bar) und
− Kraftstoffdruck bei Benzin-Direkteinspritzung (bis 200 bar).
Dr. Karsten Müller
Folie 66 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug,
Sensormessprinzipien, 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
Wirkweise
 Direkte Druckmessung :
− Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke (> 104
bar) wäre es ausreichend, einfach einen elektrischen
Widerstand dem Druckmedium auszusetzen (Bild 1a),
denn alle bekannten Widerstände zeigen mehr oder
weniger ausgeprägt eine Druckabhängigkeit
(Volumeneffekt)..
 Membransensoren:
− Die (auch im Kfz) am weitesten verbreitete Methode der
Drucksensierung verwendet zur Signalgewinnung
zunächst eine dünne Membran als mechanische
Zwischenstufe, die einseitig dem Messdruck
ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss mehr
oder weniger durchbiegt.
− Niedrige Druckmessbereiche führen zu
vergleichsweise großen Membranen mit
Durchbiegungen, die durchaus noch im Bereich von
1…0,1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern
jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers,
die sich meist nur wenige μm durchbiegen.
Dr. Karsten Müller
Folie 67 (09/2015) V4 und V5
Bild 1
a Direkte Messung mit druckabhängigem Widerstand (3)
b Messung durch Kraftsensor (1)
c Messung über Membranverformung mittels DMS (2)
d Messung kapazitiv über Verformung einer Membrankapsel (4)
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug,
Sensormessprinzipien, 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
Wirkweise
 Kapazitiver Abgriff:
− Kapazitive Drucksensoren sind jedoch im Gegensatz zu ihrem
Einsatz bei Trägheitssensoren erstaunlich wenig verbreitet,
wenngleich sie hier möglicherweise ähnliche Vorteile (speziell
hinsichtlich der Genauigkeit) bieten könnten.
− Dies liegt wohl an einem wesentlichen Unterschied zu den
genannten anderen Sensoren: Drucksensoren benötigen den
direkten Kontakt zum Messmedium. Dessen dielektrische
Eigenschaften beeinflussen praktisch immer die Kalibrierung
solcher kapazitiver Drucksensoren, die somit nicht nur vom
jeweiligen Medium abhängen würde, sondern z. B. auch gar
nicht ohne Medium (im „trockenen“ Zustand) möglich wäre.
 DMS-Abgriff:
− Die bei der Durchbiegung eines Membransensors auftretenden
Dehnungen an der Membran werden mit Hilfe der DMS Technik
(Dehnmessstreifen bzw. Dehnwiderstand) erfasst.
Dehnwiderstände sind auf die Membran aufgebracht (z. B,
eindiffundiert oder aufgedampft). Unter Einfluss mechanischer
Spannungen ändert sich deren elektrischer Widerstand. Die
Widerstände sind zu einer Wheatstone-Brücke
zusammengeschaltet. Die Spannung ist ein Maß für den Druck
Dr. Karsten Müller
Folie 68 (09/2015) V4 und V5
Bild 1
a Direkte Messung mit druckabhängigem
Widerstand (3)
b Messung durch Kraftsensor (1)
c Messung über Membranverformung mittels
DMS (2)
d Messung kapazitiv über Verformung einer
Membrankapsel (4)
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug,
Sensormessprinzipien, 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
 DMS
Wirkweise
− Die hier aufgeführten verschiedenen DMSTechniken zeigen sehr
unterschiedliche Eigenschaften im Hinblick auf Größe und Art
ihres Messeffekts. Der „K-Faktor“ (gage-Faktor) charakterisiert
die Größe des Messeffekts bei Dehnwiderständen.
− Er gibt die relative Änderung seines Dehnwiderstands R bezogen
auf die relative Änderung seiner Länge l
Bild 2
a Longitudinal
b transversal
F Kraft
I Strom
R Widerstand
l Länge
w Breite
ε Dehnung
K Gage-Faktor
Dr. Karsten Müller
Folie 69 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug,
Sensormessprinzipien, 2012
3.c) Sensormessprinzipien
Drucksensoren
 DMS
Ausführung
oben:
 Aufbau eines Folien-DMS
unten:
 moderner DMS auf Basis von
PEEK (Polyetheretherketon) mit
sehr geringer Feuchteaufnahme
(Werksbild HBM)
rechts:
 verschiedene Folien-DMS-Typen
Dr. Karsten Müller
Folie 70 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Tränkler; Sensortechnik, 2.Auflage
3.d) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
Kraft- und Drehmomentsensoren müssen direkt in den Kraftfluss geschaltet werden (also
die gesamte Messgröße durchleiten), da jede Art der Teilkraftmessung im
Kraftnebenschluss sehr problematisch und leicht verfälschbar ist. Kraftmessende
Sensoren sind also extensiver Art, d. h., ihre Baugröße hängt unmittelbar vom
Messbereich ab.
Drehmomentsensor von Bosch
für neue Lenksysteme.
Drehmomentsensor von Bosch
für neue Lenksysteme.
Dr. Karsten Müller
Folie 71 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
Magnetoelastischer ZugDruckkraftsensor zur
Bremsmomentmessung
(Entwicklungsmuster)
3.e) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
Anwendung
− Koppelkraft bei Nutzfahrzeugen zwischen Zugfahrzeug und
Anhänger bzw. Auflieger für die geregelte, kraftfreie Bremsung
(weder Zug noch Schub an der Anhängerdeichsel beim Bremsen),
− Dämpferkraft für die elektronische Fahrwerksregelung,
− Achslast bei Nutzfahrzeugen für die elektronisch gesteuerte
Bremskraftverteilung,
− Pedalkraft bei elektronisch geregelten Bremssystemen,
− Bremskraft bei elektrisch betätigten und elektronisch geregelten
Bremssystemen,
− Antriebs- und Bremsmoment,
− Lenk- bzw. Lenkservomoment,
− Einklemmschutz bei elektrisch betätigten Fensterhebern und
Schiebedächern,
− Radkräfte,
− Gewicht der Fahrzeuginsassen (für Insassen-Rückhaltesysteme).
Dr. Karsten Müller
Folie 72 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug,
Sensormessprinzipien, 2012
3.e) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
 Spannungsmessende Kraftsensoren
(Magnetoelastisches Prinzip)
Wirkweise
 Ferromagentische Materialien ändern unter Einfluss eines
magnetischen Feldes in Feldrichtung ihre Länge (Effekt der
Magnetostriktion).
 Die Umkehrung dieses Effekts, die Änderung der magnetischen
Eigenschaften unter Einwirkung von Zug- und Druckspannungen bzw.
Dehnung und Stauchung, ist der magnetoelastischen Effekt.
 Dieser Effekt äußert sich in einem anisotropen (richtungsabhängigen)
Verhalten der relativen magnetischen Permeabilität µr (Verhältnis
zwischen magnetischer Induktion B und magnetischer Feldstärke H).
 Die Permeabilitätsänderung in Kraftrichtung spiegelt sogar das
Vorzeichen der Kraft richtig wider und beträgt bei den nutzbaren
Legierungen im Bereich weniger Prozent und bedarf der
elektronischen Verstärkung
 Vorteil des magnetoelastischen Effekts ist zum einen sein weiter
Temperaturbereich und die technische Nutzbarkeit bis zu
Temperaturen von ca. 300°C.
 Wird eine Spule so auf dem Messkörper angeordnet, dass ihre
Feldrichtung mit der Kraftrichtung zusammenfällt, so lässt sich die
damit abgreifbare Änderung der Induktivität L nutzen
Dr. Karsten Müller
Folie 73 (09/2015) V4 und V5
Bild 2
a Bei feldparalleler Kraftrichtung
b bei unterschiedlicher Richtung von Feldstärke H
und Kraft F
B Induktion
α eingeschlossener
Winkel
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.e) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
 DMS-Prinzip (piezoresistiv)
Wirkweise
 Ferromagentische Materialien ändern unter Einfluss eines
magnetischen Feldes in Feldrichtung ihre Länge (Effekt der
Magnetostriktion).
 Die Umkehrung dieses Effekts, die Änderung der magnetischen
Eigenschaften unter Einwirkung von Zug- und Druckspannungen bzw.
Dehnung und Stauchung, ist der magnetoelastischen Effekt.
 Dieser Effekt äußert sich in einem anisotropen (richtungsabhängigen)
Verhalten der relativen magnetischen Permeabilität µr (Verhältnis
zwischen magnetischer Induktion B und magnetischer Feldstärke H).
 Die Permeabilitätsänderung in Kraftrichtung spiegelt sogar das
Vorzeichen der Kraft richtig wider und beträgt bei den nutzbaren
Legierungen im Bereich weniger Prozent und bedarf der
elektronischen Verstärkung
 Vorteil des magnetoelastischen Effekts ist zum einen sein weiter
Temperaturbereich und die technische Nutzbarkeit bis zu
Temperaturen von ca. 300°C.
 Wird eine Spule so auf dem Messkörper angeordnet, dass ihre
Feldrichtung mit der Kraftrichtung zusammenfällt, so lässt sich die
damit abgreifbare Änderung der Induktivität L nutzen
Dr. Karsten Müller
Folie 74 (09/2015) V4 und V5
Bild 5
1 84,5 Ag 15,5 Mn
2 Manganin
3 Cu
4 Au
5 Ag
6 Kohleschicht
7 Cermet
8 Conductive Plastic
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.e) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
 DMS-Prinzip (piezoresistiv)
Wirkweise
 Der Einsatz von Dehnmesswiderständen (DMS, Dehnmessstreifen) zur Kraftmessung ist die am weitesten verbreitete
und wohl zugleich zuverlässigste und präziseste Methode der Kraft- und Drehmomentmessung (Bild 4).
 Sie beruht darauf, dass im Hook’schen Bereich des Dehnkörpermaterials zwischen den mechanischen Spannungen σ
im Dehnkörper – verursacht durch die Krafteinleitung – und der Dehnung ε ein proportionaler Zusammenhang besteht.
 Gemäß dem Hook’schen Gesetz gilt in diesem Fall:
 Die DMS-Methode ist daher genau genommen eine indirekte Messmethode, da sie nicht direkt die kraftbedingten
Spannungen, sondern – lokal – die daraus entstehende Dehnung misst.
Bild 4
a
b
c
F
Rl,q
R
U0
UA
Stabform
Ringform
elektronische Auswertung
Kraft
Metallschichtwiderstände
längs, quer
Brückenergänzungswiderstände
Versorgungsspannung
Ausgangsspannung
Dr. Karsten Müller
Folie 75 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.e) Sensormessprinzipien
Kraft- und Drehmomentsensoren
 Drehmomentsensoren
Wirkweise
 bei der Drehmomentmessung unterscheidet man grundsätzlich zwischen winkel- und spannungsmessenden Verfahren.
 Im Gegensatz zu spannungsmessenden Verfahren (DMS, magnetoelastisch) benötigen winkelmessende Verfahren (z. B.
Wirbelstrom) eine gewisse Länge l der Torsionswelle, über die der Torsionswinkel (ca. 0,4…4°) abgegriffen werden kann.
Die zum Drehmoment proportionale mechanische Spannung s ist unter 45° zur Wellenachse gerichtet (Bild 6).
 Der Torsionswinkel lässt sich bei Winkeldifferenz messende Sensoren relativ einfach und leicht bestimmen, wenn an
beiden Enden eines Torsionsstückes (L ≈ 5…10 cm lang) der Welle zwei unabhängige inkrementale Drehzahlsensoren
oder absolutmessende, analoge oder digitale (berührungslose) Winkelabgriffe angebracht sind (Bild 8). Ihre
Anzeigedifferenz φ2 - φ1 stellt ein Maß für den Torsionswinkel dar:
Bild 7
1
Drehmomentanzeigegerät
s
Torsionsspannung
M
Drehmoment
U0
Versorgungsspannung
R1…R4 Dehnmesswiderstände
Bild 8
1, 2
3
l
M
φ1,2
Dr. Karsten Müller
Folie 76 (09/2015) V4 und V5
Winkel-/Drehzahlsensoren
Winkelmarkierungen
Torsionsstrecke
zu messendes Drehmoment
Winkelsignale
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
Die Aufgabe der Durchflussmessung stellt sich im Kraftfahrzeug bei der Erfassung der
angesaugten Luftmenge. Damit das Motormanagement – sowohl bei Diesel wie auch bei
Ottomotoren – ein definiertes Luft-Kraftstoff-Gemisch einstellen kann, muss diese
Luftmenge genau bekannt sein.
Luftmengenmesser für
Jetronic, Motronic
Luftmassenmesser für
Jetronic, Motronic
Dr. Karsten Müller
Folie 77 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Variable Messblenden (Stauklappen)
Wirkweise
 Der maximal zu messende Luftmassenfluss liegt im (zeitlichen) Mittel je nach Motorleistung im Bereich von 400…1 200
kg/h. Auf Grund des niedrigen Leerlaufbedarfs moderner Ottomotoren beträgt das Verhältnis von minimalem zu
maximalem Durchsatz 1:50…1:100.
 Bei Dieselmotoren ist wegen des höheren Leerlaufbedarfs von Verhältnissen von 1:20 bis 1:40 auszugehen. Wegen der
strengen Abgas- und Verbrauchsforderungen müssen Genauigkeiten von 2…3 % vom Messwert erreicht werden. Auf
den Messbereich bezogen kann dies durchaus eine (für das Kraftfahrzeug ungewöhnlich hohe) Messgenauigkeit von
2E10-4 bedeuten.
Bild 4
1
2
3
4
5
6
QL
Dr. Karsten Müller
Folie 78 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
Stauklappe
Lufttemperatursensor
zum Steuergerät
Potenziometer
Dämpfungsvolumen
Kompensationsklappe
Ansaugluftstrom
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Variable Messblenden (Stauklappen)
Wirkweise
 Kontinuitätsgleichung:
 Bernoulli-Gleichung:
 Diese Gesetze sind auf zwei Messquerschnitte A1 und A2 anzuwenden
(Bild 3).
 Unter der Annahme einer konstanten Dichte ρ = ρ1 = ρ2 ergibt sich der
Druckabfall:
 Dieser Druckabfall lässt sich entweder mit Hilfe eines
Differenzdrucksensors direkt oder als eine auf eine „Stauscheibe“
wirkende Kraft messen.
Dr. Karsten Müller
Folie 79 (09/2015) V4 und V5
Bild 3
a
b
1
AS
A1,2
p1,2
Dp
QLM
Ringblende
Scheibenblende (Stauscheibe)
Blende
Scheibenquerschnitt
Messquerschnitte
Messdrücke
Druckabfall
Luftmassenfluss
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Hitzdraht/Heißfilm-Anemometer
Wirkweise
 Wird ein dünner Draht mit dem elektrischen Widerstand R von einem Strom ICH durchflossen, so erwärmt er sich. Wird
er gleichzeitig von einem Medium der Dichte ρ mit der Geschwindigkeit v überstrichen, so stellt sich ein Gleichgewicht
zwischen elektrisch zugeführter Leistung Pel und pneumatisch (von der Strömung) abgeführter Leistung PV ein:
 Hierbei ist die von der Strömung abgeführte Leistung proportional zu der sich einstellenden Temperaturdifferenz Δϑ
und dem Wämeleitwert λ.
Bild 6
1
2
3
QM
Dr. Karsten Müller
Folie 80 (09/2015) V4 und V5
Temperaturkompensationswiderstand RK
Sensorring mit Hitzdraht RH
Präzisionswiderstand (Messwiderstand RM)
Luftmassenstrom
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Sensormembran
Wirkweise
Ilnks:
 Messprinzip mikromechanischer Luftmassenmesser HFM5
unten:
 Vergleich mikromechanischer und Hitzedrahtluftmassenmesser
Dr. Karsten Müller
Folie 81 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Tränkler; Sensortechnik, 2.Auflage
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Sensormembran
Wirkweise
 Um in Sensornähe möglichst stabile Strömungsbedingungen zu erhalten sollte dort eine beschleunigte Strömung vorliegen.
 Ein ebener Heißfilmsensor misst im Endeffekt die Wandschubspannung an der sensitiven Stelle.
 Die Wandschubspannung ist abhängig von der räumlichen Entwicklung der Strömungsgrenzschicht bis zur Messstelle.
Deshalb ist es günstig den Sensor auf einem separaten Träger zu positionieren, wodurch es möglich wird die gesamte
Grenzschicht beginnend vom Staupunkt an der Trägervorderkante in eine Zone stabiler beschleunigter Strömung zu legen.
Sensormodul (Steckfühler) Bosch
HFM7-IP
Dr. Karsten Müller
Folie 82 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Tränkler; Sensortechnik, 2.Auflage
3.f) Sensormessprinzipien
Durchflussmesser
 Luftmassenmesser mit Zusatzsensorik
Wirkweise
 Derzeit ist die Ausstattung mit einem Temperatursensor faktisch zum Standard geworden. Dabei wird ein Temperaturfühler,
der üblicherweise als NTC-Widerstand ausgeführt wird, an das Steckelement des Luftmassenmessers angebaut.
 Für die Motorsteuerung ist auch die spezifische Luftfeuchtigkeit eine wichtige Messgröße. Um Montage- und
Verkabelungsaufwand in Grenzen zu halten werden zur Bestimmung der spezifischen Feuchte Luftmassenmesser mit einem
Feuchtesensor (rel. Feuchte), Temperatursensor für die Temperatur des Feuchtesensors und einem Drucksensor versehen.
Aus diesen Messgrößen kann die spezifische Luftfeuchtigkeit bestimmt werden.
 Als Nebeneffekt kann dadurch der Messfehler thermischer Luftmassenmesser, der durch Luftfeuchtigkeit bewirkt wird,
kompensiert werden.
Luftmassenmesser (HFM7-IPH
von Bosch) mit Vollausstattung
bezüglich Zusatzsensorik
Dr. Karsten Müller
Folie 83 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Tränkler; Sensortechnik, 2.Auflage
3.g) Sensormessprinzipien
Temperatursensoren
 Ein Temperatursensor soll im Allgemeinen möglichst fehlerfrei die unverfälschte lokale
Verteilung der Temperatur sowie ihre zeitliche Änderung wiedergeben.
 Bei gasförmigen und flüssigen Messmedien kann im Allgemeinen problemlos an allen
Ortspunkten gemessen werden. Bei festen Körpern beschrankt sich die Messung meist
auf die Oberfläche.
Kühlmittelsensor
Lufttemperatursensor
Dr. Karsten Müller
Folie 84 (09/2015) V4 und V5
NTC-Thermistor , der als
Temperaturfühler dient.
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.g) Sensormessprinzipien
Temperatursensoren
 Berührungssensoren
Wirkweise
 Die Temperaturmessung im Kraftfahrzeug nutzt fast ausschlieslich
die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien
mit positivem (PTC) oder negativem (NTC) Temperaturkoeffizienten in
Form von Berührungsthermometern.
 Die Umsetzung der Widerstandsänderung in eine analoge Spannung
erfolgt überwiegend durch Ergänzung eines temperaturneutralen
oder gegensinnig abhängigen Widerstands zu einem
Spannungsteiler (auch linearisierende Wirkung).
 die teilweise sehr unterschiedlichen Messbereiche erfordern eine
Vielzahl von Sensorkonzepten und -technologien, sondern auch die
hier nicht genannten Genauigkeits- und Dynamikanforderung führen
zu sehr unterschiedlichen Sensorformen.
zu messende Temperaturen
im Fahrzeug.
Dr. Karsten Müller
Folie 85 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.g) Sensormessprinzipien
Temperatursensoren
 Sinterkeramische NTC-Widerstände
Wirkweise
 Wegen ihres sehr großen Meßeffekts und ihrer kostengünstigen Herstellung werden am häufigsten halbleitende
Widerstände aus Schwermetalloxiden und oxidierten Mischkristallen verwendet.
 Wegen ihrer sehr stark fallenden Temperaturkennlinie werden sie auch als Heißleiter bezeichnet oder sind auch unter
dem Namen Thermistoren bekannt.
Bild 2
a
Widerstandsfühler
B
Kennlinien
1
Hilfskontakte
2
Brücke
R
Ni Nickel-Schichtwiderstand
Rges(T)
auf Temperatur T bezogener
Gesamtwiderstand
RP
abgleichbarer Parallelwiderstand
RS
abgleichbarer Serienwiderstand
Dr. Karsten Müller
Folie 86 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.g) Sensormessprinzipien
Temperatursensoren
 Thermoelemente
Wirkweise
 Insbesondere für Messbereiche ≥ 1000 °C werden Thermoelemente eingesetzt. Sie beruhen auf dem Seebeck-Effekt,
der besagt, dass zwischen den Enden eines metallischen Leiters eine elektrische Spannung entsteht, wenn an diesen
unterschiedliche Temperaturen T1 und T2 herrschen.
 Wegen ihrer sehr stark fallenden Temperaturkennlinie werden sie auch als Heißleiter bezeichnet oder sind auch unter
dem Namen Thermistoren bekannt.
 Weit verbreitete Thermoelementpaarungen:
− Nickel-Chrom / Nickel −270 bis 1372 °C (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen −6458 µV bei
−270 °C und 54886 µV bei 1372 °C)
− Eisen / Kupfer-Nickel −50 bis 760 °C (Typ J; genauer für Industrieanwendungen mit Thermospannungen
zwischen −8095 µV bei −210 °C und 42919 µV bei 760 °C)
− Platin-Rhodium / Platin 0 bis 1600 °C (Typ S; für hohe Temperaturen)
Dr. Karsten Müller
Folie 87 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren
 Zur Messung von sichtbarem Licht (Wellenlängenbereich 380 nm – 780 nm)
werden optische Sensoren verwendet, die auf dem photoelektrischen Effekt,
zumeist in Halbleitern wie Silizium, basieren.
 Zur Messung von sichtbarem Licht (Wellenlängenbereich 380 nm – 780 nm)
werden optische Sensoren verwendet, die auf dem photo-elektrischen Effekt,
zumeist in Halbleitern wie Silizium, basieren.
 Optische Sensoren wie Photodioden oder Phototransistoren messen so den
Momentanwert des Lichtstroms (die Anzahl an Photonen) und geben
Ausgangssignale aus, die diesen Momentanwert abbilden.
 Integrierende Sensoren dagegen wie CCD- oder CMOS-Sensoren (Charge
Coupled Device bzw. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) messen
den Lichtstrom über einen Zeitraum, so dass das Ausgangssignal der
Gesamtzahl der Photonen in diesem Zeitraum entspricht.
Dr. Karsten Müller
Folie 88 (09/2015) V4 und V5
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (Photoelemente)
 Photoelemente werden ohne äußere Vorspannung betrieben und können
sowohl im Leerlauf (photovoltaischer Effekt) als auch im Kurzschluss
betrieben werden.
a Kurzschlussstrom IK
b Leerlaufspannung UL
Dr. Karsten Müller
Folie 89 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (Photodioden, Phototransistoren)
 Photodioden werden mit konstanter Vorspannung US in Sperrrichtung
betrieben, wobei der als Sperrstrom fließende Photostrom linear von der
Beleuchtungsstärke E abhängt.
a
b
c
Dr. Karsten Müller
Folie 90 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
Ersatzschaltbild
Phototransistor in
Emitterschaltung
Kennlinien für
konstante
Beleuchtungsstärke
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (Photodioden, Phototransistoren)
 Photodioden BPW21R Vishay
− Photodiode mit einer spektralen Empfindlichkeit im
Bereich 380 nm – 750 nm
− Die spektrale Empfindlichkeit wird durch einen in
den Sensor integrierten Filter an die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges angepasst.
a
b
Dr. Karsten Müller
Folie 91 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Vishay
Kurzschlussstrom zu
Beleuchtungsstärke
relative Spektralempfindlichkeit zur
Wellenlänge
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (hier Beispiel Regensensor)
 Sendedioden (Leuchtdioden) geben ein Infrarotlicht ab, welches
durch die Windschutzscheibe geleitet und an der äußeren
Scheibenoberfläche reflektiert wird. Empfängerdioden (Fotodioden)
empfangen das reflektierte Licht.
 Bei einer trockenen Scheibenoberfläche erreicht das Infrarotlicht die
Empfangsdiode nahezu mit voller Stärke (Totalreflexion).
 Bei Regen dagegen wird es durch die Wassertropfen ausgekoppelt
und gelangt nur noch teilweise dorthin.
 Die Steuerungselektronik erkennt anhand dieser Signaldifferenz,
dass sich Wassertropfen auf der Windschutzscheibe befinden und
steuert die Wischanlage.
Regensensor
Dr. Karsten Müller
Folie 92 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Bei CCD-Sensoren werden , im Gegensatz zu einfachen Photodioden, die
Ladungen während eines Zeitraums in dem lichtempfindlichen Bereich
akkumuliert und gespeichert.
 Nach dieser Zeitspanne werden die gesammelten Ladungen dann in einen
lichtunempfindlichen Teil transferiert und dort dann ausgewertet, indem
mittels eines Ladungsverstärkers ein Spannungssignal erzeugt wird.
 Die Anzahl der Ladungen ist dann ein Maß für die integrierte
Beleuchtungsstärke.
Dr. Karsten Müller
Folie 93 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Integrierende Photodioden
 Durch Schließen eines MOSFET-Schalters können mehre Photodioden auf
eine gemeinsam genutzte Signalleitung (Videoausgang) abfließen.
 Der Schalter wird von einem Taktgeber über ein Schieberegister gesteuert.
Die seriell über die Videoleitung fließenden Ladungen sind ein Maß für die
Strahlungsdosis der jeweils angesteuerten Photodioden (Pixel).
Dr. Karsten Müller
Folie 94 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Wird an die Metallelektrode eines MOSElements eine positive Spannung angelegt,
entsteht unterhalb der isolierenden
Oxidschicht eine Raumladungszone aus
ortsfesten positiven Ladungen.
 Bei Lichteinfall durch die durchsichtige,
isolierte Elektrode (Vorderseitenbelichtung)
oder durch das Substrat hindurch
(Rückseitenbelichtung) sammeln sich die
photoelektrisch erzeugten Elektronen in
diesem Bereich, ohne rekombinieren oder
abfließen zu können.
Dr. Karsten Müller
Folie 95 (09/2015) V4 und V5
a
B
Sammlung von Ladungsträgern
durch Lichteinfall
Verschieben der Ladungsträger
1
2
Raumladungszone
SiO2
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Diese Methode der Ladungsverschiebung, die sich auch als eine Art
analoges Schieberegister betrachten lässt, ermöglich den einfachen Aufbau
von langen zeilenförmigen Vielfachstrukturen oder aber auch matrixförmigen Strukturen, die man als Bildsensoren (engl.: Imager) bezeichnet.
 Die nach heutigem Stand maximal mögliche Pixelzahl von Zeilensensoren
liegt bei etwa 6 000, die von Matrixsensoren bei etwa 3872 x 2592, also ca.
10 Millionen.
10 MP CCD in Nikon D60
 Zweidimensionale CCD-Array-Sensoren werden in Videokameras und
Digitalkameras, eindimensionale CCD-Zeilensensoren in Faxgeräten,
Spektrometern und Scannern eingesetzt.
Dr. Karsten Müller
Folie 96 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Für anspruchsvollere Kfz-technische Anwendungen wäre bei den
Bildsensoren allerdings sogar eine 2 fach höhere Pixelzahl, also eine
Auflösung von 4 000 x 4 000 Bildpunkten wünschenswert.
 CCD-Bildsensoren sind heute noch die am meisten verbreitete
Bildsensortechnik auf Halbleiterbasis.
 Die bei CCD begrenzte Helldunkeldynamik, der gegenüber anderen
Technologien vergleichsweise hohe Leistungsbedarf sowie der
eingeschränkte Temperaturbereich haben bisher jedoch eine breitere
Anwendung im Automobil verhindert.
http://www.vision-doctor.de/kamera-grundlagen/sensor-pixel-groessen.html
Dr. Karsten Müller
Folie 97 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Zur Wiedergabe der Farbinformation eines jeden Pixels braucht man die
drei Grundfarben R-G-B. Es ist jedoch nur ein CCD-Sensor vorhanden. Zur
Aufteilung des Bildes in die drei Grundfarben Rot - Grün - Blau sind über
den CCD-Zellen mosaikartig mikroskopisch kleine Farbfilter aufgedampft.
 Die Anzahl der "Grün-Zellen" ist doppelt so groß wie die der Zellen für Rot
und Blau. Man erreicht damit, dass Grün mit der doppelten Helligkeit
aufgenommen wird.
 Nach der Empfindlichkeitskurve für das menschliche Auge müssen die
Grundfarben in folgendem Intensitätsverhältnis zueinander stehen: Rot
30% - Grün 59% - Blau 11%
 Das Intensitätsverhältnis Rot zu Blau von 30% zu 11% erreicht man
Anpassung der Belichtungszeiten Rot zu Blau. Im Blau-Bereich ist zudem
die Empfindlichkeit der CCD-Zellen geringer.
Dr. Karsten Müller
Folie 98 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CCD und CMOS)
 Beim Matrix-Prinzip sind in jeder Zeile nur zwei Grundfarben vorhanden.
Die jeweils fehlende Grundfarbe wird aus der vorhergehenden Zeile
dazugerechnet.
 Die Auflösung ist beim Matrix-Prinzip begrenzt, weil immer vier Zellen für
einen Pixelpunkt benötigt werden.
Dr. Karsten Müller
Folie 99 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CMOS-Bildsensoren)
 CMOS-Bildsensoren gelten heute im Vergleich zur CCD-Sensoren als die
fortschrittlichere Lösung, die sich in Zukunft wohl für viele Anwendungen
durchsetzen wird.
 Hierbei mag die Bezeichnung CMOS-Sensoren verwirren; denn CMOSTechnik bezeichnet eine spezielle Halbleitertechnologie, CCD-Technik nicht
(sie enthält auch MOS-Strukturen).
 Der wesentliche Unterschied zu den CCD-Sensoren liegt hier eigentlich
nicht in der Herstelltechnologie, sondern in einem Bündel von Merkmalen:
− Die Pixel werden nicht mehr seriell ausgelesen, sondern sind – ähnlich
wie eine Speicherzelle in einem RAM – einzeln ansteuerbar. Hierzu
wird zu jedem Pixel auch aktive Elektronik integriert (APS, Active Pixel
Sensor).
Dr. Karsten Müller
Folie 100 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CMOS-Bildsensoren)
− Es werden keine integrierende photoelektrischen Sensorstrukturen
(Photodiode) verwendet, sondern solche, die von der Belichtungszeit
weitgehend unabhängig sind.
− Die Helligkeitswerte werden nicht proportional in elektrische Signale
umgesetzt, sondern vor ihrer Auslesung logarithmiert. Sie haben
dadurch eine ähnliche Charakteristik wie das menschliche Auge. Erst
durch diese Maßnahme lässt sich die Helldunkel-Dynamik ohne
Zusatzmaßnahmen auf mehr als sechs Dekaden ausdehnen
(entspricht bei linearer Umsetzung dual etwa 20 bit).
− Es wird eine auf das photoelektrische Element optimierte CMOSTechnik verwendet, die aufgrund des weit geringeren Leistungsbedarfs
gegenüber CCD-Sensoren die Integration weiterer Ansteuer- und
Auswerteelektronik auf dem Bildsensorchip erlaubt
Dr. Karsten Müller
Folie 101 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CMOS-Bildsensoren)
 Schematischer Querschnitt eines HDRC-Pixels (High Dynamic Range
CMOS-Technology)
Pixelprozessoren an
jedem Bildpunkt der
aktiven Pixelmatrix
sorgen für eine
logarithmische
Signalkompression.
Das Auslesen ist wahlfrei
und nicht signalzerstörend, die
Übertragung ist
verlustfrei.
Dr. Karsten Müller
Folie 102 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CMOS-Bildsensoren)
 Einsatzgebiete:
− Im sichtbaren oder auch des infraroten Lichts Einzug in das Fahrzeug
(Notbremssysteme, Fußgängerschutz, Nachtsicht, autonomes Fahren..)
− Handhabung in der Robotertechnik usw.
Kompakte Stereo-Videokamera – sie erstellt
aus dem Vergleich zwischen den linken und
rechten Bildern eine präzise 3-D-Karte der
Fahrzeugumgebung (Augenabstand)
Dr. Karsten Müller
Folie 103 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Bosch
3.h) Sensormessprinzipien
Optische Sensoren (CMOS-Bildsensoren)
 Signalverarbeitung
Dr. Karsten Müller
Folie 104 (09/2015) V4 und V5
Quelle: BMW Group Fahrerassistenzsysteme
und Teststand Continental 1. ATZlive Tagung FAS
3.i) Sensormessprinzipien
Chemische Sensoren
 Chemische Sensoren erfassen Stoffgrößen von Gasen und Flüssigkeiten
und wandeln sie in elektrische Signale um.
 Im Kraftfahrzeug müssen folgende Größen gemessen werden:
− Sauerstoffgehalt im Abgas (Verbrennungsregelung,
Katalysatorüberwachung),
− Kohlenmonoxid- und Stickoxidgehalt sowie Luftfeuchte im Innenraum
(Luftgüte, Beschlagen der Fahrzeugfenster),
− Luftfeuchte in Druckluftbremssystemen (Überwachung Lufttrockner),
− Feuchte der Außenluft (Glatteiswarnung),
− Rußkonzentration im Abgas von Dieselmotoren, allerdings ein bisher
noch ungelöstes Problem. Im Gegensatz zu den zuvor genannten
Gaskonzentrationen handelt es sich dabei um eine Partikelkonzentration.
Dr. Karsten Müller
Folie 105 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.i) Sensormessprinzipien
Chemische Sensoren (Climate Control Sensor –CCS)
 Der Climate Control Sensor (CCS) misst fortwährend den Kohlendioxidgehalt (CO2) der Fahrzeuginnenraumluft.
− Nutzung der spektroskopischen Gasmessung.
− CO2-Konzentration wird über eine
wellenlängenabhängige Absorption infraroter
Strahlung gemessen.
a
b
Messprinzip
Signalspannung
1
2
3
4
Infrarotstrahler
optisches Filter
Infrarotdetektor
Luft
Bild zeigt das digitale Ausgangssignal des Sensors bei stufenweiser
Erhöhung der CO2-Konzentration
über einen Zeitraum von 40 Minuten
Dr. Karsten Müller
Folie 106 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.i) Sensormessprinzipien
Chemische Sensoren (Abgas Lambda Sonde)
 Mit Breitband-Lambda-Sonden kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas
in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-KraftstoffVerhältnis im Brennraum geschlossen werden.
 Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
 Die Sonde ragt in das Abgasrohr und erfasst den Abgasmassenstrom aller
Zylinder.
 Sie kann nicht nur im stöchiometrischen Punkt bei l = 1, sondern auch im
 mageren (λ > 1) und fetten (λ < 1) Bereich genau messen. In Verbindung
mit einer Regelelektronik liefert sie im Bereich 0,7 < λ < ∞ (Luft mit 21 % O2)
ein eindeutiges, stetiges elektrisches Signal
Dr. Karsten Müller
Folie 107 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.i) Sensormessprinzipien
Chemische Sensoren (Abgas Lambda Sonde)
 Mit Breitband-Lambda-Sonden kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas
1 Abgas
2 Abgasrohr
3 Heizer
4 Regelelektronik
5 Referenzzelle mit
Referenzluftkanal
6 Diffusionsspalt
7 Nernst-Konzentrationszelle
8 Sauerstoff-Pumpzelle mit
Pumpelektrode
9 poröse Schutzschicht
10 Gaszutrittsloch
11 poröse Diffusionsbarriere
IP Pumpstrom
UP Pumpspannung
UH Heizspannung
URef Referenzspannung
(450 mV,entspricht λ = 1)
US Sondenspannung
Dr. Karsten Müller
Folie 108 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
3.i) Sensormessprinzipien
Chemische Sensoren (Abgas Lambda Sonde)
 Planare Breitband-Lambda-Sonde LSU4
(Ansicht und Schnitt)
1 Messzelle (Kombination
aus Nernst-Konzentrationszelle und SauerstoffPumpzelle)
2 Doppelschutzrohr
3 Dichtring
4 Dichtpaket
5 Sondengehäuse
6 Schutzhülse
7 Kontakthalter
8 Kontaktclip
9 PTFE-Tülle
10 PTFE-Formschlauch
11 fünf Anschlussleitungen
12 Dichtung
Dr. Karsten Müller
Folie 109 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
4.) Aktoren
Definition
 Ein Aktor (oder auch Aktuator) setzt Stellinformation geringer Leistung in
leistungsbehaftete Signale einer zur Prozeßbeeinflussung notwendigen Energieform um.
 Der Aktor stellt das Bindeglied zwischen der Informationsverarbeitung und dem
Grundsystem dar
 In mechatronischen Systemen wird das Eingangssignal eines Aktors meist aus der
(elektronischen) Ausgangsgöße eines Sensors gebildet
Dr. Karsten Müller
Folie 110 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
4.) Aktoren
Definition
 Grundstruktur von Aktoren
Dr. Karsten Müller
Folie 111 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
4.) Aktoren
Definition
 Energie und Krafterzeugung bei Aktoren
Dr. Karsten Müller
Folie 112 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
4) Aktoren
Aktoren im System (Crash-System)
Dr. Karsten Müller
Folie 113 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
4) Aktoren
Aktoren im System (Lenk-System)
Funktionsweise des EPS (Electric Power
Steering) - Lenksystems
Das System der EPS hat folgende
Funktionen:
 Servounterstützung mit Servotronic
 Anpassung der Lenkkräfte
 Aktive Lenkungsrückstellung
 Kontrollanzeige
Im EPS - System ist die elektronische
Regelung der geschwindigkeitsabhängigen
Servounterstützung integriert. Im EPS Steuergerät sind dafür Kennfelder der
Lenkunterstützungs - und
Dämpfungscharakteristik hinterlegt.
1 = DSC-Steuergerät
2 = Motorsteuerung
3 Obere Lenksäule mit Servoeinheit
4 = E-Motor mit EPS-Steuergerät
5 = Lenkgetriebe
6 + 10 = Fahrdynamik Kontrolltaster (FDC)
7 Diagnosetester
8 = DSC-Steuerung
9 = Lenkwinkelsensor
Dr. Karsten Müller
Folie 114 (09/2015) V4 und V5
Elektrische Lenkung - EPS von BMW
5) Sensorausführung
Erarbeitung von Praxiseinsätzen von Sensoren und Erläuterung
der Prinzipien (als Auswahl aus 26 Anwendungen)
Gruppenarbeit zu je 3 Studenten und Kurzvortrag
Dr. Karsten Müller
Folie 115 (09/2015) V4 und V5
Quelle: Reif; Sensoren im Kraftfahrzeug, Grundlagen 2012
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