Druck- & Beschleunigungssensoren

Präsentation zum Thema: "Druck- & Beschleunigungssensoren"—  Präsentation transkript:

1 Druck- & Beschleunigungssensoren
Simon Darsch Alexander Theobald Mai Sensorik und Aktorik Blatt 1

2 Physikalische Grundlagen
Mai Sensorik und Aktorik Blatt 2

3 Beschleunigung Tangentialbeschleunigung: bewirkt eine Geschwindigkeitszu- oder abnahme Normalbeschleunigung: bewirkt eine Krümmung der Bahnkurve eines Körpers Mai Sensorik und Aktorik Blatt 3

4 Mai 2007 Sensorik und Aktorik
Blatt 4

5 2. Newton‘sches Axiom Mai Sensorik und Aktorik Blatt 5

6 Möglichkeiten der Beschleunigungsbestimmung
Mai Sensorik und Aktorik Blatt 6

7 Messung über Geschwindigkeit
Tangential- und Normalbeschleunigungen bewirken eine Änderung der Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung!). Die zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit ist äquivalent der Beschleunigung. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 7

8 Beschleunigungsmessung über wirkende Kraft
Das 2. Newtonsche Gesetz besagt, dass die Kraft die auf einen Körper wirkt das Produkt der wirkenden Beschleunigung und seiner Masse ist. Ist die Masse bekannt, kann mittels Kraftmessung die Beschleunigung berechnet werden. Die Masse auf die die Beschleunigungskraft wirkt wird seismische Masse genannt. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 8

9 Mai 2007 Sensorik und Aktorik
Blatt 9

10 Beschleunigungssensoren
mit seismischer Masse  piezoelektronische Sensoren  kapazitive Sensoren  induktive Sensoren  magnetische Sensoren Mai Sensorik und Aktorik Blatt 10

11 Piezoelektronische Beschleunigungssensoren
Bei Piezoelektronischen Sensoren bewirkt die Beschleunigung eine Deformation des Piezokristalls. Die entstandene Piezospannung ist ein Maß für die Beschleunigung. Konstante Beschleunigungen wie die Erdbeschleunigung können nicht erfasst werden. Sie werden dort ein- gesetzt wo sich die Beschleunigung schnell über der Zeit ändert Mai Sensorik und Aktorik Blatt 11

12 Kapazitive Beschleunigungssensoren
Bei kapazitiven Beschleunigungssensoren bewirkt die Beschleunigungskraft eine Auslenkung einer beweglichen Kondensatorplatte (seismische Masse). Die Wegänderung und damit verbundene Kapazitätsänderung ist ein Maß für die Beschleunigung. Genutzt werden meistens zwei Kondensatoren in Differentialanordnung. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 12

13 Technische Realisierung in Mikrotechnik
Mai Sensorik und Aktorik Blatt 13

14 Technische Realisierung in Mikrotechnik
Mai Sensorik und Aktorik Blatt 14

15 Close Loop Schaltung eines Kapazitiven Sensors
Ein Problem Kapazitiver Sensoren ist die geringe Schockfestigkeit. Um diese zu erhöhen nutzt man das elektrische Feld und die daraus resultierende Kraft auf die mittlere Kondensatorplatte (seismische Masse). Wird die seismische Masse aus ihrer Ruhelage bewegt stellt eine Reglung das elektrische Feld so ein, dass elektrostatische Kräfte die Masse wieder in ihre ursprüngliche Position bringen. Sobald sich die Beschleunigung ändert, wird das elektrische Feld wieder angepasst. Die Auslenkung beträgt theoretisch 0 µm, praktisch 0,01 µm. Durch diese Rückkopplung erreicht man eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Schockfestigkeit und weiten Messbereich. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 15

16 Induktive Beschleunigungssensoren
Bei induktiven Beschleunigungssensoren bewirkt die Beschleunigung eine Kraft auf eine Masse die die Induktivität einer Spule beeinflusst. Durch messen der Induktivität kann die Beschleunigung bestimmt werden. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 16

17 Magnetische Beschleunigungssensoren
Bei magnetischen Beschleunigungssensoren wird die seismische Masse durch einen elastisch aufgehängten Permanent- magneten gebildet, der durch die Beschleunigung seinen Abstand gegenüber einem Hallelement oder einem Feldplattenwiderstand ändert. Durch messen der Hallspannung oder des Feldplattenwiderstands lässt sich die Beschleunigung bestimmen. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 17

18 Physikalisches Ersatzsystem
Die Messanordnung mit Seismischer Masse bildet ein Feder - Masse System mit einer Dämpfung b. Die Bewegung der Masse lässt sich folgendermaßen beschreiben: Mai Sensorik und Aktorik Blatt 18

19 Physikikalisches Ersatzbild des Sensors
Ein System 2. Ordnung kann bei einer impulsförmigen Anregung eine harmonische Schwingung durchführen . Die Resonanzfrequenz eines Sensors bestimmt seinen Arbeitsbereich. Sensoren die im Resonanzbereich betrieben werden nennt man resonante Vibrationssensoren. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 19

20 Optische Beschleunigungssensoren
Bei Nutzung des Laser-Doppler-Effekts entsteht eine geschwindigkeitsbedingte Verschiebung der Lichtwellenlänge. Durch messen der Wellenlängenänderung kann direkt die Beschleunigung bestimmt werden. Es ist keine seismische Masse erforderlich. LASER Wellenlängendetektor Mai Sensorik und Aktorik Blatt 20

21 Bauform Beschleunigungssensoren werden dank fortgeschrittener Mikromechanik heute als Integrierte Schalkreise gefertigt die in Größe und Aussehen von herkömmlichen Bauteilen nicht zu unterscheiden sind. Mai Sensorik und Aktorik Blatt 21

22 Messgenauigkeit Die Messgenauigkeit liegt meistens im Prozentbereich. Bei Qualitativ höherwertigeren Sensoren liegt sie im Promillebereich. Gemessen werden können Beschleunigungen von einigen mg bis 1000g Mai Sensorik und Aktorik Blatt 22

23 Anwendungsgebiete - Vibrationsmessung - Aktive Federungssysteme in Kfz
- Alarmanlagen - Seismik und Erdbebenvorhersage - Airbag Mai Sensorik und Aktorik Blatt 23

24 Mai 2007 Sensorik und Aktorik
Blatt 24