Sensoren und ihr Einsatzgebiet in der Automobilindustrie

Sensoren im FahrzeugHauptanforderungen an Entwicklungsmaßnahmen

Anforderung1.Hohe Zuverlässigkeit…….. ……….Robuste Technik

2.Geringe Herstellungskosten…….. Massenfertigung

3.Harte Betriebsbedingungen………. Widerstandsfähige Verpackung

4.Kleine Bauweise………………………. Platzsparen 

5.Hohe Genauigkeit……………………..Sicherheit

Erfassung verschiedener Eingangsgrößen durch Sensoren

Elektrische Größen

Spannung

Stromstärke

Widerstand, Kapazität

Mechanische  Größen

Weg, Abstand

Geschwindigkeit

Beschleunigung

Druck, Kraft

Magnetische Größen

Feldstärke

Flussdichte

Thermische Größen

Temperatur

Wärmekapazität

Chemische Größen

Aggregatzustand

Konzentrationen

ElektromagnetischeStrahlung

Frequenz

Intensität

Polarisation

Sensoren

Einsatzgebiet

Ölstand……………Kapazitive

Geschwindigkeit..Hall‐Sensor

Temperatur………NTC‐Widerstand

Druck………………Piezoelektrische  

Fahrpedal…………Potentiometer

Lichtstärke…… …Photozellen, Kameras

Dehnung………. ..Dehnungsmessstreifen

Abstand……… ….Ultraschal, Radar, Infrarot

Lichtstärke…… …Photozellen, Kameras

Die Elektronik im Pkw kann nur funktionieren, wenn die Sensoren , physikalische Größen wie Tempe., Drehzahl, Druck in elektrische  Signale umwandeln und an das Steuergerät weitermelden.

Da die Sensoren  je nach ihrem Einsatzort 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).

Aktive‐und passive Sensoren

Sensoren werden oft entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen nichtelektrische  in elektrischer Größen in Aktive und Passive Sensoren unterteilt.

Aktive Sensoren: sind Messfühler, die intern verstärkende oder  signalformende Bauelemente enthalten.

Prozessenergie wird erzeugt und verarbeitet, sie erhalten eine aktorische und sensorische Komponente wie z.B. Radar,  Infrarot,

Ultraschall  Entfernungsmessung.

Passive Sensoren: sind Sensoren die passive Elemente  wie ( Spule, Widerstand, Kondensator) enthalten.  Die Signale werden in den meisten Fällen als analoge Spannung ausgegeben.

Aktoren

Wandeln Sie  die in elektrische –digitaler oder analoger Form vorliegenden Stellbefehle des Steuergeräts in mechanische Arbeit  um .

Die Energiewandlung erfolgt motorisch, hydraulisch und magnetisch 

Zum Positionieren kommen vorzugsweise mechanische oder  elektrisch gesteuerte Gleichstrommotoren und Schrittmotoren zum Einsatz.

Stellglieder sind in den meisten Fällen Elektromagnete, die bei eingeschaltet Zündung pulsseitig dauernd mit 12 Volt versorgt werden. Das Steuergerät greift über die Masse ein, und verbindet die Masseleitung des Magneten mit der Motormasse.

Induktiv‐Sensor

Für Erfassung von Bewegungen wie ( Raddrehzahl, Kurbelwellenumdrehung, etc.) verwendet man  induktiv‐Sensoren.

Das physikalische Prinzip der Erzeugung  einer Induktionsspannung  beruht auf der zeitlichen Änderung  des Magnetflusses.

Funktionsweise: Wenn sich das Schwungrad und somit der Zahnkranz dreht, wird durch jeden einzelnen Zahn eine Magnetfeldänderung bewirkt. Die Änderung des Magnetfeldes erzeugt in der Spule eine Induktionsspannung.

Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit sind ein Maß für die Drehzahl des Schwungrades. Durch bewusste Zahnlücken im Zahnkranz kann das Steuergerät auch die momentane Stellung (Position) des Motors erkennen.

Hall‐Sensor

Auch mit Hall‐Sensor lassen sich Drehzahl ( Geschwindigkeitsgeber , Wegstreckenfrequenzgeber ) bestimmen.

In der Hall‐Sonde, die von einem Steuerstrom durchflossen wird , wir d eine zur magnetische Flussdichte B proportionale Spannung, UH

erzeugen . Durch eine rotierende Blende lässt sich das Magnetfeld 

phasengleich zur Drehzahl ändern und somit ein zur magnetischen Flussdichte  B proportionales Spannungssignal erzeugen. 

Temperatur‐Sensor

Temperaturmessungen am Motor und im Strom  der Angesaugten Luft liefern dem elektrischen Steuergerät wichtige Daten über die Belastungsphase, in denen sich der Motor gerade befindet.

Temp.‐Sensoren bestehen in der Regel aus NTC oder PTC‐Widerständen

NTC bedeutet (Negativer Temperatur Koeffizient) der Halbleiterwiderstand verringert bei steigender Temperatur seinen Wert.

PTC bedeutet  analog  (positiver Temperatur Koeffizient), der Widerstand verringert  bei fallenden Temperatur seinen Wert.

damit gehören Glühlampen mit metallenen Glühfäden zu den Kaltleitern.

Druck‐Sensor

Zur Messung von absoluten bzw. relativen Drücken verwendet man piezoelektrische Sensoren . Sie erzeugen bei Belastung  durch Druckkräfte eine elektrische Spannung . 

Im Motorbereich  werden sie als Druckfühler im Saugrohr z.B. bei Einspritzanlagen eingesetzt, um  den Lastzustand des Motors an das 

Steuergerät zu melden 

Lambda‐Sonde

Die Lambdasonde (λ‐Sonde) ist ein Sensor, der in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt misst, um daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so regeln zu können, dass weder ein Kraftstoff‐noch ein Luftüberschuss auftritt. Es werden zwei Messprinzipien verwendet: Spannung eines Festkörperelektrolyten (Nernstsonde) und Widerstandsänderung einer Keramik (Widerstandssonde).

Während die Außenwand von den heißen Abgasen umströmt wird.

Die Sonde reagiert auf Sauerstoffgehalt im Abgas , mit der Erzeugung eines Spannungssignal U lambda  .

Der Spannung ändert sich bei unterschiedlicher Gemischzusammensetzung. Die Spannung wird an das Steuergerät weitergeleitet, und von dort wird über den Lambda Regelkreis das Luft‐Kraftstoffgemisch korrigiert.

Lambda‐Sonde

Zirconiumdioxid

Zirconiumdioxid:  als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirconiumoxid wird  Zircroniumsilicat ZrSiO4 verwendet.

Zirconiumdioxid ist nichtmagnetisch, gegen Säuren und Alkalilaugen sehr beständig und besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse.

Zirconiumdioxid: Zirconiumdioxid besitzt die Fähigkeit, bei höherer Temperatur Sauerstoffionen  elektrolytisch  zu leiten. Diese Eigenschaft macht man sich zunutze, um unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke z. B. zwischen Abgasen und Luft (Lambdasonse) zu messen.

Potentiometer‐Sensoren

Der potentiometrische Sensor: ist ein Positions‐Sensor nach der Bauart eines Potentiometer, er misst bei gestreckter Bauform die länge, bei runder Bauform den Winkel

Entspricht der Stellung des beweglichen Teiles (Schleifer) ändert sich der elektrische Widerstand zwischen Schleifer und 

den Enden. Schaltet man den Geber als Spannungsleiter, erhält man somit eine sich relativ zur Stellung ändernde

elektrische Spannung.

Der Sensor wird kalibriert, um eine bestimmten Spannung eine bestimmte Lage zuordnen zu können.

Vorteile von Potentiometer‐Sensoren

Einfach, übersichtlicher Aufbau

Sehr großer Messeffekt 

Keine Elektronik erforderlich

Weiter Temperaturbereich (<250 Grad)

Hohe Genauigkeit

Weiter Messbereich (fast 360 grad möglich)

Problemlose Redundanzausführung

flexible Kennlinie ( Variable Bahnbereich)

flexible Montage( Ebene bzw. gekrümmte Fläche)

Nachteile von Potentiometer‐Sensoren

Mechanischer Verschleiß, AbriebMessfehler durch AbriebresteProbleme bei Betrieb im FlüssigkeitVeränderlicher Übergangswiderstand von Schleifer zu MessbahnAbheben des Schleifers bei starker Beschleunigung  bzw. VibrationAufwändige ErprobungRauschenEinsatzgebietFahrpedalsensorTankfüllstandsensorDrosselklappenwinkelsensorStauscheiben‐Potentiometer

Bauformen eines Fahrpedalsensors

Vor‐und Nachteile von Potentiometersensoren

1.Sensor2.Pedal3.Pedalblock

Funktionsweise

Zur Sicherheit ist der Fahrpedalsensor mit 2 Widerständen ( Potentiometer) mit verschiedenen Arbeitsbereichen (1 – 4v und 0,5‐2v) und getrennte Leitungen ausgerüstet als Notlauffunktion falls ein Widerstand ausfällt .Beim Ausfall von einem Widerstand wird Fehlersignal gesetzt und das Auto funktioniert weiter wie gehabt.Vorteil von E‐GasRegelung des Drehmoments unabhängig von der Gaspedalstellung . Das Steuergerät sammelt alle Informationen und bestimmt danach ,  das Drehmoment ,Verbrauch, und Abgasaspekten die Drosselklappeneistellung, dabei ist  eine stärkere Öffnung trotz Gaspedalrücknahme und ein schließen trotz  Gasgeben möglich E‐Gas ist sinnvoll für PS‐starke Motorräder , wo das Steuergerät die enorme Leistung fein dosiert auf den Asphalt zu bringen

Hall‐Winkelsensor

Drosselklappe

Die Drosselklappe befindet sich im Ansaugtrakt zwischen 

dem Luftfilter und dem Ansaugkrümmer des Motors.

bei Vergasermotoren wird die Klappe direkt im Vergaser

Verbaut, 

Die Drosselklappen kommen nicht nur bei Benzinmotoren zum Einsatz, auch moderne Dieselmotoren sind mit Drosselklappen ausgerüstet. Beim Dieselmotoren dient Sie in Zusammenhang mit der Abgasrückführung vor allem der Reduzierung von Stickoxiden.

Drosselklappensensor

Ultraschall Sensoren

Mit Ultraschall  bezeichnet man Schall mit Frequenz, die oberhalb des vom Menschen wahrgenommenen Bereiches liegen. Das umfasst Frequenzen zwischen 16 KHz (obere Hörschwelle) und 1,6 GHz. Schall mit noch höherer Frequenz wird als Hyperschall bezeichnet, bei Frequenzen unterhalb des für Menschen hörbaren Frequenzbereichs spricht man dagegen von Infraschall.Der Übergang von Luftschall in Festkörper oder Flüssigkeiten erfolgt nur, wenn die Schallwellen in unmittelbarer Nähe abgestrahlt werden oder ein Koppelmedium mit angepassten akustischen Eigenschaften sowie einer bestimmten Dicke dazwischen ist..

Ultraschall Sensoren

Der Empfang von Ultraschallwellen kann prinzipiell mit den gleichen Wandlern geschehen, wie sie auch zu dessen Erzeugung verwendet werden. Die erhaltenen elektrischen Signale können einer Frequenz‐, Phasen‐ oder Amplitudenauswertung unterzogen werden.

Einsatzgebiet:  Parkhilfe, und  Abstands‐Kontrollsystem.

Ultraschall Sensoren

Literaturverzeichnis

Mechatronische Systemtechnik im KFZ  

Prof. Dr. Ing. Tim Nosper

Hey  Wang, Sensorik ,  Berlin 

Springer‐Verlag

Internet . www.wikipedia.org