Druck- & Beschleunigungssensoren Simon Darsch Alexander Theobald Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1

Physikalische Grundlagen Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 2

Beschleunigung Tangentialbeschleunigung: bewirkt eine Geschwindigkeitszu- oder abnahme Normalbeschleunigung: bewirkt eine Krümmung der Bahnkurve eines Körpers Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 3

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2. Newton‘sches Axiom Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 5

Möglichkeiten der Beschleunigungsbestimmung Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 6

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 7

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 8

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Beschleunigungssensoren mit seismischer Masse  piezoelektronische Sensoren  kapazitive Sensoren  induktive Sensoren  magnetische Sensoren Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 10

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 11

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 12

Technische Realisierung in Mikrotechnik Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 13

Technische Realisierung in Mikrotechnik Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 14

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 15

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 16

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 17

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 18

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 19

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 20

Bauform Beschleunigungssensoren werden dank fortgeschrittener Mikromechanik heute als Integrierte Schalkreise gefertigt die in Größe und Aussehen von herkömmlichen Bauteilen nicht zu unterscheiden sind. Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 21

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 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 22

Anwendungsgebiete - Vibrationsmessung - Aktive Federungssysteme in Kfz - Alarmanlagen - Seismik und Erdbebenvorhersage - Airbag Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 23

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