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22. Mai 2007
13th SENSOR Conference 2007
22. – 24. Mai 2007, Nürnberg, Germany
Sondersession: Nachwuchsförderung und innovative Ausbildung in Sensorik
S2: Faszination Sensorik
Moderne Sensorik begreifbar machen am Beispiel eines
mikromechanischen
Drehratensensors
1. Einleitung
2. ESP/Drehratensensor 3. Makromodell
4. Versuchsplatz
5. Ausblick
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Schülerlabor - SinnTec
• SinnTec: Sinn für Technik – Technische Sinnesorgane
• Versuche:
• Temperatursensor
• Beschleunigungssensor
• Thermopile
• Magneto-Resistiver Sensor • Im Aufbau: Drehratensensor
• Besucher:
• Insgesamt: 204 SchülerInnen
• davon 104 Mädchen
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Elektronisches-Stabilitäts-Programm – ESP
• ESP als moderne Technik
• Untersteuern: Fahrzeug
schiebt über dieVorderachse, die Elektronik
erkennt dies und bremst das
kurveninnere Hinterrad, um
das Fahrzeug in der Spur zuhalten
• Übersteuern: Fahrzeug
bricht mit dem Heck aus, dieElektronik bremst das
kurvenäußere Vorderrad
Q
u el l e: „F a c h k un d e
K r af t f ah r z e u g t e c h ni k “
E ur o p aL eh r mi t t el
Fahr-Dynamik-Regelung – FDR
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Elektronisches-Stabilitäts-Programm – ESP
• Soll-Fahrtrichtung
ist bekannt durch
Raddrehzahl- (ABS)und Lenkwinkel-
sensoren
• Ist-Fahrtrichtung
muss erfasst werden
Quelle: „Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik“
Europa Lehrmittel
Drehratensensor ist zentrales Element
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Coriolis - Effekt
ω
α ω
ω
⋅⋅=
⋅⋅⋅=
×⋅=
=
rad C
rad C
rad C
C
va
va
va
aa
2
sin2
2
~~
~~
tan
Coriolisbeschleunigung:
ω
vrad
vradaC
aC
aZPr
• Die Coriolisbeschleunigung tritt bei
radialen Bewegungen in rotierenden
Bezugssystemen auf
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Mikromechanischer Drehratensensor
Schwingungs-
richtung
s
d
TrägerchipFedern Schwinger
acor
• elektromagnetischer
Antrieb
• Drehung um
Hochachse mit
Drehrate ω führt zu
Coriolis-
beschleunigung
• Messung
von aC mitBeschleunigungs-
sensorenQuelle: N. Feldmann, DA FH Niederrhein, 2001.
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Mikromechanischer Drehratensensor
Gesamtansicht des Drehratensensors mit elektrischen
Zuleitungen für Schwinger und Beschleunigungssensoren
Q u el l e: R o b er t B o s c h Gm b H
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Mikromechanischer Drehratensensor
Auswerteelektronik
Drehratensensor
Permanentmagnet
• Drehratensensor der
Robert Bosch GmbH
• Größenvergleich zwischen
konventionellem
piezoelektrischem Sensor
(links) undmikromechanischem
Sensor (rechts) jeweils
inkl. Elektronik
Quelle: Robert Bosch GmbH
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Makromodell „Drehratensensor“
3D-Modell:
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Makromodell „Drehratensensor“
PWM-gesteuerte Antriebseinheit
Drehteller
Schwinger
Beschleunigungs-sensoren
Feder
Drehrate ω
Primär-schwingung
resultierendeSekundär-schwingung
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
• Analogie zwischen schematischer Skizze zum Coriolis-
Effekt und Versuchsaufbau
Messung der Coriolisbeschleunigung (rotes Rechteck)
Versuchsplatz „Drehratensensor“
ω
vrad
vradaC
aC
aZPr
ω
v rad
ac
ac
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Versuchsplatz „Drehratensensor“
3D-Modell: Drehratensensor mit Bluetoothmodul
lineareSensoreinheit
entkoppelteSensoreinheit
mit Bluetoothmodul
Zahnriemenantrieb Miniatur-
KugelgewindetriebSchleifring
Motorantriebemit Steuersystemen
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Versuchsplatz „Drehratensensor“
Versuchsorientierter Unterricht in Gruppenarbeit:
• Einstieg in den Versuch
- Das moderne ESP als bekannter Alltagsgegenstand
• Planung des Versuchs
- Versuchsaufbau mit Hilfe des Arbeitsheftes kennen lernen
• Durchführung des Versuchs
- Selbsttätiges Beobachten, Messen und Festhalten der Messwerte
• Auswertung des Versuchs
- Konkretisierung der Versuchsergebnisse am praxisorientierten
Sachverhalt ESP-System
scheinbar „obskure Theorie“ anhand eines Praxis-
beispiels und der praktischen Anwendung erklärt
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Patrick Schütz
22. Mai 2007
Ausblick
• Versuchsplatz „Drehratensensor“ zum Schulexperiment
umgestalten
Ergänzung zum „Crashversuch“ (Airbag)
• Weitere Versuche zum Thema „Sensorik“ für SinnTec
• Zusammenarbeit mit Firmen: Sponsoring & Recruiting
zum beiderseitigen Vorteil