5 Sensoren in Kraftfahrzeugen

5 Sensoren in Kraftfahrzeugen
5.1 Grundlagen 5.1.1 Messgrößenaufnahme und -verarbeitung 5.1.2 Ausgangsleistung, Hub und Offset – Erforderlicher Schaltungsaufwand 5.1.3 Dynamik von Sensorsignalen 5.2 Wichtige Sensoren der Kfz-Elektrik/Elektronik 5.2.1 Induktionsgeber 5.2.2 Hallgeber und Feldplatten 5.2.3 Magnetoresistive Sensoren (Permalloy) 5.2.4 Dehnmessstreifen/Piezoresistive Sensoren 5.2.5 Piezoelektrische Klopf- und Drucksensoren 5.2.6 Hitzdraht-/Heißfilmanemometer 5.2.7 Lambda-Sonde 5.2.8 Drehratensensor (Giergeschwindigkeitssensor)

Informationsfluss in Steuer- und Regelprozesses
5.1 Sensoren - Grundlagen Bordnetz_Schaltpl\infofluss.cdr Informationsfluss in Steuer- und Regelprozesses

5.1.1 Sensoren – Messgrößenaufnahme und -vorverarbeitung
5 Sensoren in Kraftfahrzeugen 5.1 Grundlagen 5.1.1 Messgrößenaufnahme und -verarbeitung 5.1.2 Ausgangsleistung, Hub und Offset – Erforderlicher Schaltungsaufwand 5.1.3 Dynamik von Sensorsignalen 5.2 Wichtige Sensoren der Kfz-Elektrik/Elektronik 5.2.1 Induktionsgeber 5.2.2 Hallgeber und Feldplatten 5.2.3 Magnetoresistive Sensoren (Permalloy) 5.2.4 Dehnmessstreifen/Piezoresistive Sensoren 5.2.5 Piezoelektrische Klopf- und Drucksensoren 5.2.6 Hitzdraht-/Heißfilmanemometer 5.2.7 Lambda-Sonde 5.2.8 Drehratensensor (Giergeschwindigkeitssensor)

Sensor: - Messfühler, Signalgeber, Informationsaufnehmer; - (möglichst) rückwirkungsfreie Informationsgewinnung über physikalische, chemische, technische, ... Prozesse; - Wandlung meist nichtelektrischer Größen direkt oder über Zwischengrößen in elektrische Größen (Informationsträger). nach Dg018.doc Sensor in der einfachsten Form mindestens Messfühler und Wandler  Aufnehmer.  Geringe Sicherheit der Nutzinformation gegen Störungen auf dem Übertragungsweg. Definition Sensor nach der Art der Messgrößenvorverarbeitung

Sensor: - Messfühler, Signalgeber, Informationsaufnehmer; - (möglichst) rückwirkungsfreie Informationsgewinnung über physikalische, chemische, technische, ... Prozesse; - Wandlung meist nichtelektrischer Größen direkt oder über Zwischengrößen in elektrische Größen (Informationsträger). nach Dg018.doc Aufnehmer + Signalvorverarbeitung (Verstärken, Filtern, Linearisieren, Kompensation von Drift-, Temperatur- und Alterungseinflüssen)  Sensor.  Verbesserte Störsicherheit des Übertragungsweges, Entlastung nachfolgender informationsverarbeitender Systeme. Definition Sensor nach der Art der Messgrößenvorverarbeitung

Sensor: - Messfühler, Signalgeber, Informationsaufnehmer; - (möglichst) rückwirkungsfreie Informationsgewinnung über physikalische, chemische, technische, ... Prozesse; - Wandlung meist nichtelektrischer Größen direkt oder über Zwischengrößen in elektrische Größen (Informationsträger). nach Dg018.doc Sensor + Informationsverarbeitung (Bewerten, Überwachen, Quantisieren, Verdichten, Kodieren)  intelligenter Sensor.  Sehr gute Sicherung des Übertragungsweges und mehrfache Nutzung der Sensorinformation durch mehrere unterschiedliche informationsverarbeitende Systeme. Definition Sensor nach der Art der Messgrößenvorverarbeitung

Arten von Sensorsignalen/Messverfahren: Abbildung der Messgrößen im Wandlersignal entweder: - analog (Informationsparameter (IP) kann innerhalb bestimmter Grenzen jeden beliebigen Wert annehmen.) - direkt (IP wird unmittelbar im Strom- bzw. Spannungsverlauf abgebildet.) - moduliert (IP wird einem Träger überlagert, z.B. FM, AM, PWM.) - diskret (IP kann nur endlich viele Werte annehmen.) - digital (IP entspricht einem vereinbarten Alphabet/Code.) - binär (IP entspricht nur zwei unterschiedlichen Werten, z.B. 0 oder I.) IP wird dabei zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich übertragen. Anforderungen an die Messgenauigkeit im Kraftfahrzeug: Zulässige Fehlergrenzen zwischen < 5 % (z.B. Temperaturen) und > 0,1 % (z.B. Kurbelwinkel- bezogene Größen).  Erforderliche binäre Verarbeitungsbreite (z.B. in Mikrorechnern/Mikrocontrollern): 5 Bit Bit (bei Aufrundung auf volle Bytes: 8 oder 16 Bit).

Umwandlungseffekte: - aktive Elemente: Messgröße wird ohne elektrische Hilfsenergie abgebildet (meist als elektrische Spannung oder Ladung). nach Dg018.doc

Sensorart physikalische Messgrößen Beispiele für den (aktive Elemente) Effekte Position (stat.), Weg, Winkel Position (dyn.), Drehz., Geschw. Beschleunigung Kraft, Massenkraft, Drehmom. Druck Dehnung Temperatur Durchfluss Füllstand Stoffkonzentration Beleuchtung Magnetfeld Kfz-Einsatz piezoelektrische Sensoren elektr. Ladung durch elast. Spann. klopfende Verbr. Verbrennungsdruck Induktions- sensoren Induktionsgesetz Motor-, Getriebe- u. Radbewegungen Wiegand- spont. Umklappen Magnetisierungsri. Thermoelemente thermoelektr. Effekt (Seebeckeffekt) Wasser-, Öl-, Luft- u. Abgastemperat. Fotoelemente Sperrschichtfotoeff. Sauerstoff-Kon-zentrationssens. galvan. Element (Nernst‘sche Zelle) Lambda-Sonde nach Dg019/2 direkte Messgröße indirekte Messgröße

Umwandlungseffekte: - aktive Elemente: Messgröße wird ohne elektrische Hilfsenergie abgebildet (meist als elektrische Spannung oder Ladung). - passive Elemente: Messgröße wird durch Änderung des Widerstandes, der Induktivität oder der Kapazität abgebildet  elektrische Hilfsenergie erforderlich. nach Dg018.doc

5.1.1 Sensoren – Messgrößenaufnahme und -vorverarbeitung Sensorart
veränderbare Messgrößen Beispiele für den (passive Elemente) Größen zur Messwert-aufnahme Position (stat.), Weg, Winkel Position (dyn.), Drehz., Geschw. Beschleunigung Kraft, Massenkraft, Drehmom. Druck Dehnung Temperatur Durchfluss Füllstand Stoffkonzentration Beleuchtung Magnetfeld Kfz-Einsatz Schalter Widerstand (binär) diverse Schaltkont. Reedkontakte Potentiometer Widerstand (analog) DK-Potentiometer Dehnmess-streifen Widerstand (geometr. und/oder spezifisch) Druck- und Kraft-sensoren mit geringer Dynamik piezoresistive Sensoren spezifischer Widerstand Fotowiderstände Fotodioden/trans. spezifischer Widerst. Sperrschichtwiderst. Beleuchtungssensor Lichtschranken Temperaturab-hängige Widerst. diverse Temp.-sens. Heißfilmanemometer nach Dg019/1 direkte Messgröße indirekte Messgröße

5.1.1 Sensoren – Messgrößenaufnahme und -vorverarbeitung Sensorart
veränderbare Messgrößen Beispiele für den (passive Elemente) Größen zur Messwert-aufnahme Position (stat.), Weg, Winkel Position (dyn.), Drehz., Geschw. Beschleunigung Kraft, Massenkraft, Drehmom. Druck Dehnung Temperatur Durchfluss Füllstand Stoffkonzentration Beleuchtung Magnetfeld Kfz-Einsatz induktive Sensoren Induktivität (Luftspalt) Weg-, Winkel- und Drehzahlsensoren Hallgeneratoren Potentialdifferenz Feldplatten Stromwegverlänger. magnetoresistive Sensoren spezifischer Widerstand Weg- und Winkelsensoren magnetoelast. Sensoren Permeabilität Lastmessbolzen kapazitive Sensoren Kapazität (Plattenabstand. oder Dielektrikumsänder.) Airbagsensor Methanolsensor nach Dg019/1 direkte Messgröße indirekte Messgröße

Viele Kfz-Sensoren bilden die Messgröße als ohmsche Widerstandsänderung ab durch Verändern des spezif. Widerstand (ρ) und/oder der Widerstandslänge (l) und/oder des Querschnitts (Aq). Einige Kfz-Sensoren bilden die Messgrößen als Änderung der Induktivität ab durch Verändern der wirksamen Windungszahl (N2) und/oder des magn. Widerstandes (Luftspalt, Eisenkern). Einige Kfz-Sensoren bilden die Messgröße als Änderung der Kapazität ab durch Verändern des Dielektrikums (ε) und/oder des Plattenabstandes (s) und/oder der wirksamen Plattenfläche (A). nach Dg018.doc Dabei werden die Änderungen der Induktivität bzw. der Kapazität über die Änderung des Wechselstromwiderstandes gemessen. bzw.

5.1.2 Ausgangsleistung, Hub und Offset – Erforderl. Schaltungsaufwand

Allgemeine Beschreibung einer Messgröße: - Offset(X0): Gleichanteil, Bezugswert, arithmetisches Mittel - lineares Glied : (meist) Nutzsignal, entspricht idealer Sensorkennlinie - nichtlineare Glieder höherer Ordnung: verantwortlich für reale Sensorkennlinie, werden aber häufig vernachlässigt. Hub: relative Messgrößenänderung, Verhältnis Nutzsignal zum Bezugswert.

Ausgangsleistung (PA): relative Aussage, abhängig von der erforderlichen Ansteuerleistung nachfolgender Systeme (z.B. Anzeigeinstrument, Steuergerät). Fallunterscheidung: (1) PA - groß (d.h. geeignet zum direkten Ansteuern nachfolgender Systeme) und Hub hx > 1 z.B. Schalter, Potentiometer, NTC- und PTC-Thermowiderstände, Tachogenerator  eventuell Linearisierung, sonst kein zusätzlicher Schaltungsaufwand. (2) PA - klein (d.h. Ausgangsleistung reicht nicht zum Aussteuern nachfolgender Systeme), jedoch Hub hx > 1 z.B. Fotodioden, Fototransistoren, Hallelemente, Lambda-Sonde  Verstärker zum Aussteuern nachfolgender Systeme erforderlich. Verstärker: Differenzverstärker, zwei Eingänge, verstärkt wird Δu = u1-u2, ein Eingang invertierend (d.h. pos. Eingangssignal erzeugt negatives Ausgangssignal), zweiter Eingang nicht invertierend, möglicher Verstärkungsfaktor theoretisch ∞, praktisch Standardbauelement  Operationsverstärker (OPV)

uA = v . uD = v (u1- u2) v = (theoretisch) v = (praktisch) i1 i2 i1 = - i2 uE R1 uA R2 = - bzw. virtuelle Masse uA = - uE . R2 R1 Leistungselektronik\Opv1.cdr uD » 0 v = - R2 R1 Operationsverstärker Bemerkung: Operationsverstärker möglichst nahe zum Sensor bringen.  Unterdrückung von Störspannungen, die sonst auf den Leitungen zwischen Sensor und Verstärker eingekoppelt werden könnten.

Fallunterscheidung: (3) PA - klein und Hub hx < 1 (d.h. Hub klein, Offset (meist sehr viel) größer als Nutzsignal) z.B. Sensoren für Drücke, Kräfte, mechanische Spannungen, einige magnetfeldabhängige Sensoren  Gleichanteil muss ausgekoppelt werden: - bei dynamischen Vorgängen Hochpass verwenden, - bei quasistatischen Vorgängen und Vorgängen mit hohem Störgrößenanteil  Differenzenmethode (Brückenschaltung). Signal anschließend verstärken.

Sensor mit Widerstandsänderung  Vorwiderstand 100 , Bezugswert RX = 100  maximale Aussteuerung bei RX = 101  Hub: Verhältnis Nutzsignal / Betriebsspannungsbereich: Sensoren\brsch1.cdr  Nutzsignal zu klein, muss verstärkt werden. Frage: Wie groß kann maximal verstärkt werden? Nur etwa zweifache Verstärkung möglich. Spannungsteiler Nutzsignal kann aufgrund des großen Gleichanteils nicht ausreichend verstärkt werden.  Nutzsignal bleibt zu klein!

Differenzspannungsteiler (Brückenschaltung)
5.1.2 Ausgangsleistung, Hub und Offset – Erforderl. Schaltungsaufwand Bezugswert RX = 100  maximale Aussteuerung bei RX = 101  Differenzspannungssignal ohne Gleichanteil. Hub: d.h. > 1 Verhältnis Nutzsignal / Betriebsspannungsbereich: Sensoren\brsch1.cdr  Nutzsignal zu klein, muss verstärkt werden. Frage: Wie groß kann maximal verstärkt werden? Differenzspannungsteiler (Brückenschaltung) Durch Auskoppeln des Gleichanteils kann Nutzsignal maximal (400 fach) verstärkt werden.

Differenzspannungsteiler (Brückenschaltung)
5.1.2 Ausgangsleistung, Hub und Offset – Erforderl. Schaltungsaufwand Sensoren\brsch2.cdr Differenzspannungsteiler (Brückenschaltung)

Brückenschaltung mit einem veränderlichen Element  Viertelbrücke Sensoren\brsch2.cdr

Brückenschaltung mit einem aktiven Element  Viertelbrücke zwei veränderlichen Elementen  Halbbrücke Sensoren\brsch2.cdr

Brückenschaltung mit einem aktiven Element  Viertelbrücke zwei aktiven Elementen  Halbbrücke vier veränderlichen Elementen  Vollbrücke Sensoren\brsch2.cdr

Brückenschaltung mit einem aktiven Element  Viertelbrücke zwei aktiven Elementen  Halbbrücke Messgrößen gegensinnig, wirken Störgrößen aber gleichsinnig vier aktiven Elementen  Vollbrücke Sensoren in Brückenschaltungen werden so angebracht, dass Sensoren\brsch2.cdr  Störgrößenunterdrückung und Linearisierung.

5.1.3 Dynamik von Sensorsignalen

System 1. Ordnung (ein Energiespeicher - Tiefpass) System 2. Ordnung (zwei Energiespeicher – schwingungsfähiges System) x+/- 5% (bzw. +/- 1%) X0 tE tE Sensoren\DYNAMIK2.CDR Definition Einschwingzeit

nach Sensoren\DYNAMIK3.CDR Beispiel: Sensor mit Tiefpassverhalten (System 1. Ordnung) Einschwingzeit (bei 5% Fehler): 3 t

nach Sensoren\DYNAMIK3.CDR Beispiel: Sensor mit Tiefpassverhalten (System 1. Ordnung) Einschwingzeit (95%, d.h. 5% Fehler): 3 t = 1,5 T0 bzw. T0 = 2 t  Einschwingzeit des Sensors zu groß.  Weder Signalform noch Amplitude werden richtig erfasst.

nach Sensoren\DYNAMIK3.CDR Beispiel: Sensor mit Tiefpassverhalten (System 1. Ordnung) Einschwingzeit (95%, d.h. 5% Fehler): 3 t = 0,5 T0 bzw. 6 t = T0  Sensor besser auf die Messgröße abgestimmt.  Sensor kann Amplitude erfassen, Signalform wird verfälscht.  Sensor geeignet zur Grenzwertaufnahme.

nach Sensoren\DYNAMIK3.CDR Beispiel: Sensor mit Tiefpassverhalten (System 1. Ordnung) Einschwingzeit (95%, d.h. 5% Fehler): 3 t = 0,1 T0 bzw. 30 t = T0 Faustformel: Amplitude wird genau erfasst. Signalform wird (in den meisten Fällen) ausreichend genau abgebildet, wenn die Einschwingzeit eines Sensors nur etwa ein Zehntel der Periodendauer der Grundwelle einer Messgröße beträgt.

2 nach Sensoren\DYNAMIK1.CDR und PowerPoint\Sensoren\Fourier.xls Rechteckschwingung – Zerlegung nach Fourier

nach Sensoren\DYNAMIK1.CDR und PowerPoint\Sensoren\Fourier.xls Rechteckschwingung – Zerlegung nach Fourier mit

Faustformel: Eine Messgröße wird (in den meisten Fällen) ausreichend genau abgebildet, wenn neben der Grundwelle noch die Oberwellen 3. und 5. Ordnung erfasst werden können. nach Sensoren\DYNAMIK1.CDR und PowerPoint\Sensoren\Fourier.xls  Grenzfrequenz:  Rechteckschwingung – Zerlegung nach Fourier mit

5.2 Wichtige Sensoren der Kfz-Elektrik/Elektronik

5.2.1 Wichtige Sensoren - Induktionsgeber

uq t Typische Kfz- Einsatzgebiete: Dynamische Weg- und Winkelpositionen, Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, Winkelbeschleunigung z.B. an Motor, Getriebe, Differenzial, Rädern. Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr Funktionsprinzip: Induktionsgesetz Spule mit Weicheisenkern und Dauermagnet  Magnetkreis. Flussänderungen durch Bewegen ferromagnetischer Materialien im Luftspalt des Magnetkreises. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

uq t Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr  Amplitude des Signals von Luftspalt (lLuft) und Änderungsgeschwindigkeit ( ) abhängig. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

uq t Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr Information steckt in Frequenz (wird genutzt) und Amplitude (wird nicht genutzt). Vorteile: aktiver Sensor  keine elektrische Hilfsenergie erforderlich; kein Gleichanteil  Hub >1, hohe Ausgangsleistung; einfacher, robuster Aufbau, thermisch belastbar. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

uq / klein Drehzahl groß t Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr Nachteile: Amplitude von Änderungsgeschwindigkeit (Drehzahl) abhängig.  Kaum verwertbare Signale bei niedrigen Drehzahlen, kein Signal bei Drehzahl Null. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

uq t Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr Nachteile: Amplitude außerdem stark vom Luftspalt abhängig.  Sensor störempfindlich gegen Relativbewegungen zwischen Sensor und Zahnscheiben. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

uq Drehzahl groß / klein t Problem: exaktes Zuordnen des Sensorsignals zur Winkelposition nur im Nulldurchgang. Sensoren\Indu3.gif und Indusens1.cdr  Triggerschwelle auf Null-Potenzial legen  sehr störanfällig. Abhilfe: Schalthysterese zum Unterdrücken kleinerer Störungen.  Aber: zwanghäufiges Ausblenden kleiner Nutzsignale.  Kompromiss zwischen kleinster Amplitude und Störunterdrückung. Induktionsgeber (elektrodynamischer Sensor)

5.2.2 Wichtige Sensoren – Hallgeber und Feldplatten

Differenzhallgeber/ Differenzfeldplatten UH Gabelhallgeber mit Topfscheibe Sensoren\Hall9.cdr, Hall1.cdr und DIFFSENS.CDR Typische Kfz- Einsatzgebiete: Dynamische und quasistatische Weg- und Winkelpositionen, Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, Winkelbeschleunigung z.B. an Motor, Getriebe, Differenzial, Rädern auch bei kleinen Drehzahlen bis einschließlich Drehzahl null. Hallgeber und Feldplatten

Funktionsprinzip: Auf bewegte Ladungsträger wirkt in Magnetfeld die sogen. Lorenzkraft. UH  Ladungsverschiebung, besonders groß in Halbleiterplättchen (z.B.: InSb). zwei Effekte: 1. Stromwegverlängerung  quadratische Widerstandsänderung  Ausnutzung bei Feldplatte. Sensoren\Hall9.cdr, Hall1.cdr und DIFFSENS.CDR 2. Aufbau eines elektrischen Feldes als Gegenkraft zur Lorenzkraft  Kräftegleichgewicht. An Rändern des Plättchens kann die Hallspannung abgenommen werden. Hallspannung abhängig von magn. Induktion, Steuerstrom, Abmessungen und Ladungsträgerkonzentration des Halbleiterplättchens. Hallgeber und Feldplatten

Magnetkreis freigegeben UH = UH max Magnetkreis kurzgeschlossen UH = 0 Sensoren\Hall9.cdr, Hall2.gif, Hall3.gif, Hall4.gif und Hall5.gif - Binäres Nutzsignal, Gleichanteil nahe Null  großer Hub, gute Störsicherheit. - Integration mit Schaltverstärker  digitaler Hallschaltkreis, Anwendung im Zündverteiler (veraltet). Gabelhallgeber mit Magnet und Topfscheibe

größerer Luftspalt UA U= kleinerer Luftspalt UA U= Analoges Nutzsignal, lediglich Veränderung des Luftspaltes z.B. durch Zahnscheiben (an Radsensoren).  Hoher Gleichanteil, starke Abhängigkeit von Luftspaltlänge (Störanfälligkeit). Sensoren\ DIFFSENS.CDR und Hall7.cdr Problem Triggerschwelle  Gleichanteil auskoppeln  Brückenschaltung  Differenzhallgeber. Differenzverstärker (für Feldplatten) Differenzhallgeber/Differenzfeldplatten

5.2.3 Wichtige Sensoren – Magnetoresistive Sensoren

Typische Kfz- Einsatzgebiete: Dynamische und qasistatische Weg- und Winkelpositionen, z.B. für dynamische Leuchtweitenregelung, Niveauregulierung und aktive Fahrwerke, Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, Winkelbeschleunigung vorzugsweise an Rädern. Sensoren\Niveau1.cdr Magnetoresistive Sensoren (Permalloy)

Funktionsprinzip: Änderung des spezifischen Widerstandes in Ni-Fe-Legierungen durch Verändern der Magnetisierungsrichtung einer magnetfeldabhängigen Schicht (Permalloy-Schicht). Sensoren\Niveau1.cdr  Ausgangssignal weniger von Luftspalt, dafür aber mehr von der Richtung bzw. dem Winkel eines äußeren Magnetfeldes abhängig. Einsatz als Radsensor  geringere Störanfälligkeit gegenüber Relativbewegungen zwischen Sensor und Zahnkranz. Aufbau als Vollbrückenschaltung mit integriertem Verstärker. Magnetoresistive Sensoren (Permalloy)

Sensoren\Niveau1.cdr Einsatz als Winkelsensor  verschleißfreier Ersatz für Potentiometer. Magnetoresistive Sensoren (Permalloy)

5.2.4 Wichtige Sensoren – Dehnmessstreifen/Piezoresisive Sensoren

5.2.4 Wichtige Sensoren – Dehnmessstreifen/Piezoresistive Sensoren
Typische Kfz- Einsatzgebiete: Vorwiegend Druckmessung, seltener zum Messen von Kräften und Momenten (im Fahrzeugversuch) sowie Beschleunigungen (in Verbindung mit seismischen Massen). Sensoren\DMS1.gif ... DMS4.gif Funktionsprinzip: Verbiegen eines Verformungskörpers  Dehnen bzw. Stauchen bestimmter Flächen  geometrische und/oder spezifische Veränderungen oberflächenmontierter bzw. oberflächenintegrierter Widerstände. Dehnmessstreifen (DMS) Quelle: BHL Electronics

Allgemein gilt für oberflächenmontierte bzw. oberflächenintegrierte Widerstände: Bei Metallwiderständen ist: (geometrischer Effekt) Die Dehnung ε darf nur im linear elastischen Bereich des Verformungskörpers liegen, d.h. ε = 10-6 bis 10-3.   Äußerst kleiner Hub, sehr kleines Nutzsignal  Brückenschaltung und Verstärkung. Bei Halbleiterwiderständen ist: Sensoren\DMS1.gif ... DMS4.gif (piezoresistiver Effekt)  und (Starke Temperaturabhängigkeit bei Halbleiter-DMS.) Dehnmessstreifen/Piezoresistive Sensoren Quelle: BHL Electronics

Vier Technologieniveaus: - Aufkleben von Dehnmessstreifen (DMS) auf Träger (Verformungskörper), - Aufbringen der DMS auf Träger im Siebdruckverfahren (Dickfilmtechnik), - Aufbringen der DMS auf Träger durch Vakuumbeschichtung (Dünnfilmtechnik), - Integration von DMS, Verformungskörper und Zusatzelektronik in Halbleiterträgermaterial (monolitische/mikromechanische Verfahren). Dehnmessstreifen/Piezoresistive Sensoren

- Ausführung als monolitischer Halbleiter-DMS mit integriertem Temperatursensor. - Auslegung für Drücke zwischen 0,05 und 400 bar. - Grenzfrequenz je nach Bauform bis 100 Hz. Beispiel Piezoresistiver Drucksensor

5.2.5 Wichtige Sensoren – Piezoelektrische Klopf- und Drucksensoren

Typische Kfz- Einsatzgebiete: Dynamische Vorgänge im Bereich Hz, z.B. als Verbrennungsdrucksensoren und Beschleunigungssensoren/Klopfsensoren (in Verbindung mit seismischer Masse). Funktionsprinzip: Piezoelektrischer Effekt - Ladungsverschiebung insbesondere bei Quarzen und polykristallinen keramischen Körpern unter mechanischer Beanspruchung (Deformation). Sensoren\PIEZO1.cdr, Druck2.tif und Druck3.tif Piezoelektrischer Effekt (hier: Transversaleffekt)

Die für eine Messung zur Verfügung stehende Ladungsmenge ist sehr klein. Kenngrößen: - Piezoelektrische Empfindlichkeit k bis , - Eigenkapazität ca. 50 pF, - Innenwiderstand ca Ω  extreme Verstärkungen erforderlich z.B. Ladungsverstärker (RE > 1000 MΩ, v > ). Nicht vermeidbare Nebenschlusswiderstände  Abfließen der Ladungen  keine statischen Vorgänge messbar, d.h. untere Grenzfrequenz ca. 10 Hz. Anwendung: Verbrennungsdrucksensor Sensoren\PIEZO1.cdr, Druck2.tif und Druck3.tif Messbereich: 0, bar

In Verbindung mit sogen. seismischen Massen können Beschleunigungen, hervorgerufen z.B. durch Körperschall, gemessen werden (Messbereich: 0, g). Anwendung im Kfz als sogen. Klopfsensor zum Erfassen der typischen Körperschallschwingungen in einem Frequenzbereich zwischen 8 und 12 kHz. Einsatz von Breitband-Klopfsensoren (5 … 20 kHz) mit nachgeschaltetem Filter, oder von selektiven Klopfsensoren, die bei der spezifischen Klopffrequenz eines bestimmten Verbrennungsmotors in Resonanz gehen.  große Empfindlichkeit, relativ kräftiges Signal. Problem: Ein-/Auslassventile erzeugen im gleichen Frequenzband Körperschall.  Einsatz sogen. Kurbelwinkelfenster, d.h. kurbelwinkelbezogene Filterung der Signale. Anwendung: Klopfsensor Piezokristall seismische Masse Tellerfeder Sensoren\PIEZO1.cdr und Klopf1.gif

5.2.6 Wichtige Sensoren – Hitzdraht-/Heißfilmanemometer

Typisches Kfz- Einsatzgebiet: Messung des Luftmassenstroms (angesaugte Luftmenge). Funktionsprinzip: Wärmeentzug an einem beheizten temperaturabhängigen Widerstand (Hitzdraht bzw. Heißfilm) durch vorbeiströmende Luft, abhängig von Strömungsgeschwindigkeit (Messgröße) und Temperaturunter schied zwischen Widerstand und Luft (Störgröße). Innenrohr mit Hitzdraht- bzw. Heißfilm- sensor Deckel mit Elektronik zur Signal- vorverarbeitung Gehäuse Schutzgitter UA Dg027.doc und Sensoren\Heißfilm1.gif Zwei Messverfahren: 1. PH = konst.  ΔQ  Δ  ΔR = m (Ausschlagverfahren) , ^ . 2. ΔR = konst., d.h. Δ = konst.  ΔPH = m (Kompensations methode). ^ . Hitzdraht-/Heißfilmanemometer (1. Generation) Quelle: Bosch

Schwingungen im Ansaugsystem Messfehler durch Mehrfachmessung der gleichen Ansaugluftmasse Dg198.cdr

Auswerte- elektronik Sensor- element Strömungs- richtung der Luft nach Dg199.cdr und Sensoren\HF2.gif Zwei Messstellen und zentraler Heizbereich:  asymmetrische Temperaturverteilung entsprechend Strömungsgeschwindigkeit und -richtung. Weiterer Vorteil: mikromechanische Strukturen (kleinste Massen)  hohe Messdynamik. Mikromechanischer Luftmassensensor (Anemometer der 2. Generation mit Erkennung der Strömungsrichtung) Quelle: Bosch, Pierburg

Schwingungen im Ansaugsystem Messfehler Ansaugluft Dg198.cdr

5.2.7 Wichtige Sensoren – Lambda-Sonde

Typisches Kfz- Einsatzgebiet: Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas  Lambda-Regelung. Schadstoff- konzentration Dg028.doc und Sensoren\Lambda3.cdr, Lambda1.gif Lambda-Sonde (Nernst-Konzentrationszelle)

Funktionsprinzip: Galvanisches Element nach dem Prinzip der Nernst-Konzentrationszelle. 2O2- - Ionenstromleitung von Sauerstoffionen in Festkörperelektrolyten, z.B. in Halbleitern (ZrO2) oder in Metalloxiden (TiO2) bei Temperaturen zwischen 300 °C und 930 °C. - Bei fehlendem Sauerstoff im Abgas (λ < 1) entsteht ein partieller Sauerstoffüberdruck an der Außen-(Luft-)Elektrode der Sonde. Dg028.doc und Sensoren\Lambda3.cdr, Lambda1.gif  Unter katalytischer Aufnahme von Elektronen können Sauerstoffmoleküle als Ionen zur Innen-(Abgas-)Elektrode wandern. Dabei werden der Außenelektrode Elektronen entzogen  positive Aufladung. Hingegen herrscht an der Innenelektrode Elektronenüberschuss  negative Aufladung. - Spannungssprung bei λ =1 mit Ansprechzeiten von ca. 100 ms. - Fettes Gemisch  großer Unterschied Partialdruck  U λ > 900 mV. - Mageres Gemisch  kleiner Unterschied Partialdruck  U λ < 100 mV.  Konventionelle Gemischregelung arbeitet als Zweipunktregler. Lambda-Sonde (Nernst-Konzentrationszelle)

Nernst- Konzentrationszelle Nernst- Konzentrationszelle Lambda-Sonde

Diffusionsspalt Nernst- Konzentrationszelle Breitbandsonde V Nernst- Konzentrationszelle Sauerstoff- pumpzelle Ablösen der Sonden mit Sprungkennlinie durch Sonden mit Breitbandkennlinie (0,7 <  < Luft)  Einsatz für Regelungen mit variablen Lambda, z.B. für direkt einspritzende Motoren. Funktionsprinzip: Eine Zelle (links) arbeitet als Sprungsonde, die andere Zelle (rechts) durch Einprägen eines Stromes als Pumpzelle für Sauerstoffionen. Ein Regelkreis pumpt abhängig vom tatsächlichen -Wert des Abgases mit Hilfe der Pumpzelle in den durch Diffusionsspalt abgetrennten Abgasraum der Sonde mehr oder weniger Sauerstoff hinein bzw. heraus, bis durch die Sprungsonde =1 festgestellt wird.  Pumpenstrom ist Maß für tatsächlichen -Wert im Abgas. Lambda-Breitband-Sonde

5.2.8 Wichtige Sensoren – Drehratensensor

Typisches Kfz- Einsatzgebiet: Ermittlung der Drehrate um die Fahrzeughochachse (Giergeschwindigkeit) in fahrdynamischen Regelungssystemen. Funktionsprinzip: Kapazitives Messverfahren unter Einwirken einer Corioliskraft. Erklärung Corioliskraft: Ausgangspunkt – rotierendes System mit Punktmasse (Abstand r zur Drehachse). Auf die Punktmasse wirkt eine Zentrifugalkraft* (Fliehkraft) Bewegt sich die Punktmasse zusätzlich mit der Geschwindigkeit v, entsteht darüber hinaus eine (Schein-) Kraft, abhängig vom Standpunkt des Beobachters bzw. des Messsystems  Corioliskraft * FZ Beobachter Corioliskraft nicht erkennbar . r m . m v . m v Beobachter FC Corioliskraft erkennbar *= Trägheitskraft

Beschleunigungssensor schwingende Masse Schwingungsrichtung Sensierrichtung Feder Anregung der beiden Schwingkörper (seismische Massen) zu gegenphasigen Schwingungen. Bei Drehung um die Hochachse entsteht unter Wirkung der Corioliskraft rechtwinklig angreifende Auslenkung. seismische Masse Feder Kapazität 1 Leiterbahn (AL) Bondpad Kapazität Siliziumdioxid Sensierrichtung  kapazitive Messung  Regelung auf Einhaltung der Schwingungsebene, d.h. Kompensationsverfahren.  Kompensationsgröße = Maß für Querkräfte. Mikromechanischer Drehratensensor Quelle: Bosch

Beschleunigungssensor schwingende Masse Schwingungsrichtung Sensierrichtung Feder Bei Subtraktion der beiden Kompensationsgrößen bleibt aufgrund der Gegenläufigkeit der Schwingmassen ein verdoppeltes Signal der Drehrate übrig, während lineare Komponenten (also Querbeschleunigungen) eliminiert werden. Bei Addition der beiden Kompensationsgrößen entsteht ein Maß für die Querbeschleunigung des Sensors (also zwei Sensoren in einem). Messbereiche: +/- 1,4 g für Querbeschleunigung /- 100 °/s bei einer Auflösung von 0,2 °/s (Das entspricht einer minimalen Drehrate von 1 Umdrehung in 30 Minuten.) Der Drehratensensor kann über CAN-Bus sein Signal neben dem ESP auch anderen Systemen zur Verfügung stellen (z.B. Navigationssysteme, adaptive Geschwindigkeitsregelungen). Mikromechanischer Drehratensensor Quelle: Bosch

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