Mai 2007 Sensorik und Aktorik Blatt 1 Simon Darsch, Alexander Theobald

Druck- & Beschleunigungssensor

en

Simon Darsch

Alexander Theobald

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Physikalische Grundlagen

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Beschleunigung

Tangentialbeschleunigung: bewirkt eine Geschwindigkeitszu-oder abnahme

Normalbeschleunigung: bewirkt eine Krümmung der Bahnkurve eines Körpers

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m

Fa

amvmxmF

NormalTangential aa

sva

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2. Newton‘sches Axiom

xmvmamF

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Möglichkeiten der Beschleunigungsbestimmung

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Messung über Geschwindigkeit

Tangential- und Normalbeschleunigungen bewirken eine Änderung der Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung!). Die zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit ist äquivalent der Beschleunigung.

dt

vda

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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.

m

Fa

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Beschleunigungssensorenmit seismischer Masse

piezoelektronische Sensoren

kapazitive Sensoren

induktive Sensoren

magnetische Sensoren

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Piezoelektronische BeschleunigungssensorenBei 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 dieBeschleunigungschnell über der Zeitändert

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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.

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Technische Realisierung in Mikrotechnik

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Technische Realisierung in Mikrotechnik

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Close Loop Schaltung eines Kapazitiven SensorsEin 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.

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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.

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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.

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Physikalisches ErsatzsystemDie Messanordnung mit Seismischer Masse bildet ein Feder - Masse System mit einer Dämpfung b. Die Bewegung der Masse lässt sich folgendermaßen beschreiben:

maF

FDxxbxm

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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.

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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

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Bauform

Beschleunigungssensoren werden dank fortgeschrittener Mikromechanik heute als Integrierte Schalkreise gefertigt die in Größe und Aussehen von herkömmlichen Bauteilen nicht zu unterscheiden sind.

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Messgenauigkeit

Die Messgenauigkeit liegt meistens im Prozentbereich. Bei Qualitativ höherwertigeren Sensoren liegt sie im Promillebereich.

Gemessen werden können Beschleunigungen von einigen mg bis 1000g

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Anwendungsgebiete

- Vibrationsmessung

- Aktive Federungssysteme in Kfz

- Alarmanlagen

- Seismik und Erdbebenvorhersage

- Airbag

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