Elektrowiderstände

Sensoren

Das Thema „Sensoren“ sprengt den Rahmen des Stoffbereiches für die Sekundarstufe I und wird daher z. B. für interessierte AGs oder für Referate empfohlen. Dazu erfolgt nun ein Überblick über Sensoren im Automobilbau. Weitere Informationen zum Thema Sensoren und zu den aufgeführten speziellen Begriffen sind u. a. in der unten angegebenen Fachliteratur zu finden. Es ginge zu weit, an dieser Stelle weitere Details zu bringen.

Was ist ein Sensor?

Ein Sensor setzt eine physikalische oder chemische Größe F, die meist selbst noch keine elektrische Größe ist, in eine elektrische Größe E um, wobei er u. U. mehrere Störgrößen Y1, Y2, Y3 … berücksichtigt:

E = f(F,Y1,Y2,Y3 …)

Diese Umsetzung kann auch über weitere nicht-elektrische Zwischenstufen geschehen. Als elektrische Größe E werden nicht nur die üblichen Größen Strom oder Spannung akzeptiert, sondern im Hinblick auf die digitale Weiterverarbeitung der Signale im Fahrzeug auch

Unterscheidung nach Einsatzzweck

Funktionelle Sensoren (Steuerungs- und Regelungsaufgaben)

Sicherheitssensoren (Fahrzeugsicherheit und Diebstahlschutz)

Überwachungssensoren (Überwachung von Verbrauchs- und Verschleißgrößen; Fahrer- und Beifahrerinformation)

Unterscheidung nach Ausgangssignal

Ausgangssignal ist analog (etwa zu einem Strom oder einer Spannung, zu einer Frequenz oder zu einer Pulsdauer)

Ausgangssignal ist diskret, z. B.

zweistufig (binär codiert)

mehrstufig ungleich gestuft (analog codiert)

mehrstufig äquidistant (in gleichen Abständen) gestuft; analog oder digital codiert)

Abgabe des Ausgangssignals

ständig

nur zu bestimmten Zeitpunkten

Unterscheidung nach Kennlinienart

Stetig lineare Kennlinie

Stetig nicht-lineare Kennlinie

Unstetig zweistufige Kennlinie
(mit und ohne Hysterese)

Unstetig mehrstufige Kennlinie

Unterscheidung nach Art der Messgröße

1. Positionssensoren (Messgröße: Weg oder Winkel) | Messprinzipien

a) mittels Potentiometer – herkömmliches Prinzip;

Vergleiche etwa „Elektrizität/Widerstand“ mit dem Beispiel des „klassischen“ Tankgebers; weitere „klassische“ Beispiele: Stauscheiben-Potentiometer bei der KE- und L-Jetronic (Bosch), Drosselklappenwinkel-Sensor bei der M-Motronic (Bosch), Fahrpedalsensor (bei Systemen ohne herkömmliche direkte mechanische Kopplung von Fahrpedal zum Motor)

b.) Magnetisch induktive Sensoren

Wirbelstromsensoren
Kurzschlussringsensoren
Tauchankersensoren

c) magnetostatische Sensoren

Galvanomagnetische Sensoren
- Hall-Schalter
- Spinning-Current-Sensoren
- Differenzial-Hall-Sensoren
- Hall-Winkel-Sensor (Movable Magnet)
  - bis 180 Grad
  - über 180 Grad (anderer Aufbau)
„Feldplatten-Differenzial-Sensoren“; Anwendung auch bei der Drehzahlmessung
Magnetoresistive „Ni-Fe-Dünnschichtsensoren“; AMR-Prinzip = Anisotrop Magneto Resistive; Anwendung: sehr genaue Lenkwinkelerfassung
Magnetoresisitive Sensoren in Nanotechnologie; GMR-Prinzip = Giant Magneto Resistive; Eindeutige Winkelmessung auch über 360 Grad
„Kompass-Sensoren“ (Erdfeldsonden); verwendet beim Navigationssystem

d) Wellenausbreitungs-Sensoren

Akustische Sensoren (Ultraschall); für Abstandsmessungen zu Hindernissen und vorausfahrenden Fahrzeugen
Elektromagnetische Sensoren (RADAR); für Abstandsmessungen vorzugsweise zu vorausfahrenden Fahrzeugen (sogar mehreren!)

2. Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren (Messgröße: Winkel bzw. Weg/ Zeit) | Messprinzipien

a) herkömmliche Sensoren

magn. Induktion (vergleiche 1.b); keine weitere Elektronik im Sensor erforderlich; z. B.: induktive Drehzahlsensoren an der Kurbelwelle oder an der Nockenwelle), induktiver Raddrehzahlsensor, Nadelbewegungssensor (Dieseleinspritzdüse)

b) modernere Sensoren

Magnetostatik (vergleiche 1.c); mit elektronischer Verstärkung oder Aufbereitung im Sensor;

Hall-Effekt
„Gradienten-Sensoren“
- Differenzial-Hall-Sensoren
- Differenzial-Feldplatten-Sensoren
Tangential-Sensoren
„Giant magnetoresisitive Elemente“ (= GMR-Elemente)

c) Ausnutzung der Corioliskraft bzw. Coriolisbeschleunigung zusammen mit dem Piezoeffekt bei Schwingungsgyrometern; verwendet bei Fahrzeug-Navigationssystemen

d) Ausnutzung des Doppler-Effekts bei speziellen Radar-Sensoren für die Messung langsamer Fahrgeschwindigkeiten bei Ackerschleppern

3. Beschleunigungs- und Vibrationssensoren (Messgröße: Beschleunigung) | Messprinzipien

a) Messung eines Weges

rein „ausschlagmessend“
„lagegeregelte Systeme“

b) Messung einer Spannung mittels Piezoeffekt; z. B. Hall-Beschleunigungssensoren; Klopfsensoren

4. Drucksensoren (Messgröße: Drücke aller Art) | Messprinzipien

a) Direkte Druckmessung

b) Einsatz einer Membran als mechanische Zwischenstufe

mit Dehnwiderständen
mit DMS-Abgriff (Dehn-Mess-Streifen)
mit kapazitivem Abgriff

5. Kraft- bzw. Drehmomentsensoren (Messgröße: Meistens Kraft, Speziell auch berührungslose Messung von Drehmomenten) | Messprinzipien

a) bei Kraftsensoren

„Magnetoelastisches Prinzip“
DMS-Prinzip (Dehnwiderstände) (vergleiche 4.b)
Prinzip der „orthogonal gedrückten Widerstände“; z. B. – „Sitzmattensensor“ bzw. „Platzbelegungssensor“ (wichtig für Nichtauslösung des Airbags bei freiem Beifahrersitz oder die Erkennung eines dort vorhandenen Kindersitzes); magnetoelastischer Bremskraftsensor

b) bei Drehmomentsensoren

Messung einer Spannung mit DMS-Prinzip
Messung eines Winkels:
- Winkeldifferenzmessende Sensoren
- Wirbelstromsensoren

6. Durchflussmesser für Kraftstoff bzw. Luft (Messgröße: "Menge" = Volumen oder Masse) | Messprinzipien

(Hinweis: Die Produktion von Durchflussmessern für Kraftstoff ist ausgelaufen.)

a) Staudruckprinzip

Feste Messblenden in Ring- oder Scheibenform oder variabel („Stauklappen“); zusätzlich genutzt: Potentiometerprinzip, z. B. Stauklappenluftmengenmesser LMM“ (Bosch)

b) „Hitzdraht/Heißfilm-Anemometer“

z. B. „Hitzdrahtluftmassenmesser HLM“ und „Heißfilmluftmassenmesser HMF5“ (Bosch)

7. Gassensensoren, Konzentrationssensoren

Messgrößen: verschiedenster Art, so zum Beispiel:

Sauerstoffgehalt im Abgas (Lambdasonden); Verbrennungsregelung; Katalysatorüberwachung
Kohlenmonoxid- und Stickoxydgehalt sowie Luftfeuchte im Innenraum (Luftgüte; Beschlagen der Fenster)
Feuchte der Außenluft (Glatteiswarner)
Rußkonzentration im Dieselabgas (noch nicht serienreif)
Luftfeuchte im Druckluftbremssystem (LKW) Messprinzipien: bei Lambdasonden:

a) Zweipunkt-Lambdasonden:

Fingersonden
- unbeheizte Fingersonde
- beheizte Fingersonde
Planare Lambdasonden; Prinzip: „galvanische Sauerstoffkonzentrationszelle mit Festkörperelektrolyt“

b) Planare „Breitband-Lambdasonde“

8. Temperatursensoren (Messgröße: Temperatur) | Messprinzipien

a) Messung mit Berührung des Objekts

Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands (PTC- und NTC-Widerstände)

b) berührungslose Messung

Strahlungsmessung; Beispiele: Sensoren für Motortemperatur, Öltemperatur, Ansauglufttemperatur, Kraftstofftemperatur beim Diesel; Sensor zur Innenraumtemperaturregelung; Abgashochtemperatur-Sensor

Intergrationsstufen (gilt für sämtliche Sensortypen)

Je nach dem gesamten Fahrzeugkonzept können innerhalb des – äußerlich als Baugruppe erkennbaren – „Sensors“ dem eigentlichen Sensorteil weitere Stufen folgen. Diese können der Signalaufbereitung, der Analog-Digital-Wandlung sowie der Selbstkalibrierung dienen; es kann sogar ein Mikrocomputer gleich mit eingebaut sein.

Literatur:

„Sensoren im Kraftfahrzeug“, Gelbe Reihe der Robert Bosch GmbH, Ausgabe 2001, umfassender Überblick über den Stand der Sensorentechnik im Herausgabejahr auf 148 DIN A4-Seiten
„Sensorsysteme für das Auto“, Band 175 aus der Reihe „Die Bibliothek der Technik“, Verlag „moderne industrie“, Landsberg/Lech, 1998, informativer Überblick in einem handlichen Bändchen von 70 Seiten

Zurück zur Übersicht