Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Steuerung eines Systems, Open Loop Control

Quelle: Nordmann Bild 2.3_1

Energie Speicher

Prozess (Abtrieb)

StellsignalEinganssignal

in das Steuergerät

Energiesteller Energiewandler Energieumformer

Steuergerät Sensor

Aktor

Störgröße

Ausgangsgröße

Openloop

Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Regelung eines Systems, Closed Loop Control

Quelle: Nordmann Bild 2.3_2 Quelle: Nordmann

Energie Speicher

Prozess (Abtrieb)

StellsignalEingangssignal

in das Steuergerät

Energiesteller Energiewandler Energieumformer

Steuergerät Sensor

Aktor

Störgröße

Ausgangsgröße

Closed Loop

Sollwert

Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Quelle: Bosch Bild 2.3_3

Sensoren und Aktoren in einem Kraftfahrzeug

Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren

Quelle: Nordmann Bild 2.3_4

elektrisches AusgangssignalSensoren

Elektrische GrößenSpannungStromstärkeWiderstandKapazität…

Mechanische GrößenWeg, AbstandGeschwindigkeitBeschleunigungKraftDruckElektromagnetische

StrahlungFrequenzIntensitätPolarisation…

Chemische GrößenKonzentrationenAggregatzustand…

Magnetische GrößenFeldstärkeFlussdichte…

Thermische GrößenTemperaturWärmekapazität…

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Hauptanforderungen an Sensoren und Entwicklungsmaßnahmen

Quelle: Bosch Bild 2.3_5

Sensoren im Kraftfahrzeug

Anforderungen Entwicklungsmaßnahmen

Hohe Zuverlässigkeit Robuste, erprobte Technik

Geringe Herstellkosten Rationelle Massenfertigung

Harte Betriebsbedingungen Widerstandsfähige Verpackung

Kleine Bauweise Technologien der Miniaturisierung

Hohe Genauigkeit Fehlerkompensation vor Ort

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Unterscheidung von Sensoren nach ihrem Wirkprinzip

Quelle: Nordmann Bild 2.3_6

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Integrationsgrad von Sensoren

Quelle: HeimannBild 2.3_7

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Zu erfassender Meßbereich (1) und Meßbereich des Sensors (2)

Quelle: HeimannBild 2.3_8

Eingangssignal

1

2

Ausgangssignal

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Statische Fehler von Meßsystemen

Quelle: HeimannBild 2.3_9

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Auflösung des Meßsignals eines Sensors

Quelle: Nordmann Bild 2.3_10

Ausgangs-größe

Eingangsgröße

Auflösung

Zoom

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Rauschsignal eines Sensors

Quelle: Nordmann Bild 2.3_11

Ausgangssignal

P = konst.

Rauschsignal

Auflösung

Zeit [t]

20 mV

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Aliasing Effekt bei der A/D Wandlung

Quelle: Nordmann Bild 2.3_12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

-0,5

-1

1

0,5

X(t

) d

igit

al

Zeit t

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

-0,5

-1

1

0,5

X(t

) an

alo

g

Zeit t

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

-0,5

-1

1

0,5

X(t

) d

igit

al

Zeit t

niedrige Signal-Frequenz hohe Signal-Frequenz

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

-0,5

-1

1

0,5

X(t

) an

alo

g

Zeit t

gleiche Messfrequenz !!!

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Drosselklappensenor

Quelle: Bosch Bild 2.3_13

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Vor- und Nachteile von Potentiometersensoren

Quelle: Bosch Bild 2.3_14

Vorteile von Potentiometersensoren

• Einfacher, übersichtlicher Aufbau,• sehr großer Messeffekt (Messhub == Versorgungsspannung)• keine Elektronik erforderlich• weiter Temperaturbereich (<250°C)• hohe Genauigkeit (besser 1 % v. EW) • weiter Messbereich (fast 360° möglich)• problemlose Redundanzausführung• Abgleichbarkeit (Laser usw.)• Flexible Kennlinie (variable Bahnbreite)• flexible Montage (ebene bzw. gekrümmte Fläche)• zahlreiche Hersteller• schnelle Bemusterung

Nachteile von Potentiometersensoren

• Mechanischer Verschleiß, 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

Beispiele für Potentiometersensoren

• Stauscheiben- Potentiometer (KE- und L-Jetronic),• Drosselklappenwinkelsensor (M-Motronic)• Fahrpedalsensor, Fahrpedalmodul,• Tankfüllstandsensor•••

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Bauformen eines Fahrpedalsensors

1 Sensor2 fahrzeugspezifisches Pedal3 Pedalbock

einzelner Fahrpedalsensor hängendes Fahrpedalmodul stehendes Fahrpedalmodul FMP1

Quelle: Bosch Bild 2.3_15

Vorteile des Elektronischen Gaspedals:

•

•

•

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Kennlinien des Fahrpedalsensors

Potentiometer 1(Führungspotentiometer)

Potentiometer 2(halbe Spannung)

Quelle: Bosch Bild 2.3_16

Pedalweg ca.25 mm

0,75

A

usga

ngss

pann

ung

4

,75

V

1

2

1

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Quelle: Bosch Bild 2.3_17

Galvanomagnetische Effekte.a) Schaltungb) Verlauf der Hall-Spannung UHc) Zunahme des Plättchenwiderstandes

R (Gauß-Effekt)B InduktionUR Längsspannung.

Funktionsweise Hallsensor

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Analoger Hall-Winkelsensor mit linearer Kennlinie für Winkel bis 180°

a Position ab Position bc Ausgangssignal1 Eisenrückschluss2 Stator (1,2 Weicheisen)3 Rotor (Permanentmagnet)4 Luftspalt5 Hall - Sensorω Drehwinkel

Quelle: Bosch Bild 2.3_18

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Hall-Winkelsensor (Movable Magnet)

a Aufbaub Kennlinie mit

Arbeitsbereich A1 Rotorscheibe

(dauermagnetisch)2 Polschuh3 Flussleitstück4 Luftspalt5 Hall-Sensor6 Achse

(weichmagnetisch)

Quelle: Bosch Bild 2.3_19

Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: Sensoren Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Hall-Winkelsensor als Fahrpedalsensor

1 Gehäusedeckel2 Rotorscheibe

(dauermagnetisch)3 Auswertelektronik

mit Hall-Sensor4 Gehäuseunterteil5 Rückstellfeder6 Anlenkelement

(z.B. Zahnrad)

Quelle: Bosch Bild 2.3_20

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Ultraschallsensor

1 Leiterplatte2 Vergussmasse3 Kunstoffgehäuse4 Systemträger5 Entkopplungsring

(Silikongummi)6 Hülse7 Ultraschallwandler8 Abdeckkappe9 elektrischer Anschluss

(Stecker)

Quelle: Bosch Bild 2.3_21

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Piezoelektrischer Effekt

Quelle: Nordmann Bild 2.3_22

Elektrischer Schaltkreis eines piezoelektrischen Werkstoffs

Piezoelektrischer Polymer

=

Force

Output

Elektrode

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Signalbild eines Ultraschallsensors

Quelle: HeimannBild 2.3_23

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Prinzipschaltbild eines Ultraschallsensors

Quelle: HeimannBild 2.3_24