Beschleunigungssensoren. Steffen Buchner

Transkript

1 Steffen Buchner

2 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 2

3 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 3

4 Geschwindigkeit und Beschleunigung Weg s [m] Weg konstant Weg fallend Durchschnittsgeschwindigkeit: m/s = 36 km/h Weg steigt nicht linear Beschleunigung! Zeit t [s] 4

5 Geschwindigkeit und Beschleunigung Weg s [m] Weg konstant Weg fallend Momentangeschwindigkeit: Tangente + Steigungsdreieck m/s = 72 km/h Zeit t [s] 5

6 Geschwindigkeit und Beschleunigung v [m/s] Momentanbeschleunigung: 30 Geschwindigkeitsabnahme (Bremsen) negative Beschleunigung m/s² ,5 m/s² 10 2 Weg konstant Weg fallend 10 Zeit t [s] 6

7 Geschwindigkeit und Beschleunigung Was man im Diagramm nicht sieht: Strecke ist ein Vektor Momentangeschwindigkeit: Momentanbeschleunigung: 20 m/s y v Auch die Richtungsänderung ist eine Beschleunigung! x Quelle: Nach [1] können Richtungsänderungen nicht messen (dafür gibt es Gyroskope) 7

8 Geschwindigkeit und Beschleunigung 1g: Erdschwerebeschleunigung 9,81 m/s² 2g: PKW in der Kurve 2g: Schlaglöcher 3g: Formel1-Wagen in der Kurve 5g: Bobschlittenfahrer in der Kurve 7g: Menschliche Bewusstlosigkeit Quelle: [12] 8

9 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 9

10 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren Lex prima: Trägheitsprinzip Jeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern. Lex secunda: Aktionsprinzip F=m*a Zur Beschleunigung einer Masse wird eine Kraft benötigt. Lex tertia: Reaktionsprinzip Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleichgroße, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio). 10

11 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren Messung meistens nur eindimensional Gehäuse M Seismische Masse M Feder M Beschleunigung 11

12 Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensoren M M M Wichtig: Jeder Beschleunigungssensor kann (auf der Erde) auch seine Neigung messen! 12

13 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 13

14 Sensorarten und Messprinzipien Übersicht Piezoelektrisch am gängigsten Piezoresistiv Kapazitiv Hall-Effekt Wärmeübertragung (Magnetoresistiv ähnlich Hall-Effekt) (Dehnungsmessstreifen ähnlich Piezoresistiv) 14

15 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Funktionsweise (z.b. Quarz) Quelle: [2] Piezoelektrischer Kristall wird gestaucht / gedehnt Entstehung einer Ladung durch piezoelektrischen Effekt Messung mithilfe eines Ladungsverstärkers (wandelt Ladung in Spannung um) 15

16 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Piezoelektrischer Effekt Ladungsverschiebung (Elementarteilchen) Elektroden werden geladen Quelle: [3], Seite H8 16

17 Sensorarten und Messprinzipien Piezoelektrisch Vor- und Nachteile + Extreme Robustheit + Überlastsicherheit + Langzeitstabilität + Kompaktheit in Relation zum weiten Messbereich + Einsetzbar noch bei 150 C + Hervorragende Linearität im gesamten Druckbereich + Keine beweglichen Teile - Beeinflusst durch die Umgebungstemperatur (Kompensation nötig) - Bei statischen Messungen bedingt verwendbar 17

18 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Funktionsweise (Silicium) Quelle: [2] Piezoresistives Substrat wird gestaucht / gedehnt Veränderung des Widerstandes durch piezoresistiven Effekt Messung mithilfe einer Wheatstoneschen Messbrücke (Einrichtung zur Präzisionsmessung von Widerständen) 18

19 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Bohrsches Atommodell Quelle: [18] Atom besteht aus: positiv geladenem Kern negativ geladenen Elektronen verschiedene Energieniveaus für die Elektronen 19

20 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Energiebändermodell Quelle: [19] Es gibt Wechselwirkungen zwischen den Elektronen verschiedener Atome Die Energieniveaus werden zu Energiebändern Pro Energieband gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Energiezuständen 20

21 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Valenz- und Leitungsband Das Valenzband ist das äußerste noch besetzte Band Innerhalb des Leitungsbandes sind freie Energiezustände Elektronen können leicht Energie eines elektrischen Feldes aufnehmen und sich frei bewegen Quelle: [20] 21

22 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Piezoresistiver Effekt Halbleiterkristall: Atome sind regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet Bei Belastung Veränderung des Abstandes der Atome im Kristallgitter Änderung des Bandabstandes (Valenzband zu Leitungsband) und der Form der Bänder des Halbleiters Änderung der Anzahl der Elektronen im Leitungsband und der Beweglichkeit der Ladungsträger (Mikrosystemtechnik von Ulrich Hilleringmann, Seite ) 22

23 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Piezoresistiver Effekt Die Potentialberge reduzieren sich Das Valenzband überlagert sich mit dem Leitungsband Quelle: nach [19] 23

24 Sensorarten und Messprinzipien Piezoresistiv Vor- und Nachteile + Einfach mit der Messbrücke auszulesen + Relativ empfindlich - Offset und Empfindlichkeit temperaturabhängig ( Kompensation) - Nichtlinearer Messbereich 24

25 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Funktionsweise Kondensator mit beweglichen Elektroden Veränderung der Kapazität Veränderung der Ausgangsspannung Quelle: [4], Seite

26 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Formeln für Plattenkondensator C ~ 1/d U~d (Q Ladung: konstant) Quelle: [5] Permittivität Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder 26

27 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Versuch mit Plattenkondensator Quelle: [6] Anlegen einer Spannung von 5 kv Ein elektrischer Strom fließt kurzzeitig eine Elektrode wird positiv, die andere negativ Entfernen der Spannung von 5 kv Elektrometer zeigt Spannung an (U=Q/C) Großer Plattenabstand geringe Kapazität hoher Ausschlag Kleiner Plattenabstand hohe Kapazität geringer Ausschlag 27

28 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv REM-Bild eines ADXL150 REM-Bild eines ADXL150 Quelle: [7] 28

29 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv REM-Bild eines ADXL250 REM-Bild eines ADXL150 Quelle: [8] 29

30 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Quelle: [9] 2-achsiger kapazitiver Sensor 3 Achsen i.d.r. realisiert durch 2-achsigen Sensor (X, Y) plus 1-achsigen (Z) 30

31 Sensorarten und Messprinzipien Kapazitiv Vor- und Nachteile + Überlegen in Stabilität (aber noch nicht mit piezoel. Vegleichbar) + Hochempfindlich + Sehr geringer Leistungsverbrauch + Relativ gutes Temperaturverhalten - leider nur sehr kleine Kapazitätsänderungen - Empfindlich gegen umliegende elektromagnetische Felder 31

32 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Funktionsweise Quelle: [11] Masse (1) an Feder (2) gekoppelt Masse an stromdurchflossenen Leiter (4) gekoppelt Magnetfeld (5) um den stromdurchflossenen Leiter 32

33 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Hall-Effekt - Skizze Stromdurchflossener Leiter Eingebracht in ein Magnetfeld Entstehung einer Spannung senkrecht zu Magnetfeld und Versorgungsspannung 33

34 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Lorentz-Kraft - 3-Finger-Regel Daumen: Technischer Strom Zeigefinger: Magnetfeldlinier Mittelfinger: LorentzKraft (auf die Elektronen) 34

35 Sensorarten und Messprinzipien Hall-Effekt Vor- und Nachteile - Empfindlich gegen umliegende Magnetfelder 35

36 Sensorarten und Messprinzipien Wärmeübertragung Funktionsweise Gezeigtes Verfahren: Patent von H. Plöchinger (DE C1, 1993) Es gibt noch andere Hauptsächlich gedacht als Neigungssensor Zentrale Wärmequelle Gefüllt mit Gas Temperatursensoren am Rand Quelle: [14] Konvektionsströmung transportiert Wärme (Gasteilchen) 36

37 Sensorarten und Messprinzipien Wärmeübertragung Vor- und Nachteile + 2-dimensionale Messung + Höchste Stoßfestigkeit: Keine beweglichen Massen / Flüssigkeiten + Natürliche Linearität des Ausgangssignals in einem Neigungsbereich um die Nullachse 37

38 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 38

39 Anwendungsgebiete Alarmanlagen Fallerkennung (Festplatten) Autos (Airbag) Aufnahme von Waffendaten 39

40 Anwendungsgebiete Controller von Videospielen Steuerung von Handy-GUIs Steuerung von Handy-Spielen Raumfahrt / Luftfahrt Navigation nur in Verbindung mit Gyrometer (Drehung) 40

41 Inhalt Grundlagen zu Geschwindigkeit und Beschleunigung Newtonsche Gesetze und Messmethode der Sensorarten und Messprinzipien Anwendungsgebiete Fazit 41

42 Fazit Technik gut ausgereift, besonders der piezoelektrische und kapazitive Beschleunigungssensor Beschleunigungsmessung in immer mehr Geräten ( Anwendungsgebiete) Artikel von eventiq über Boom von MEMS (Microelectrical mechanical Systems): Der Einsatz von in neuen Mobiltelefonen stieg auf 10% im Jahr 2008 von 3% im Jahr Entwicklung noch nicht beendet (bzgl. Temperaturempfindlichkeit,...) 42

43 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 43

44 Extras Datenblatt Freescale MMA7260Q Wheatstonesche Messbrücke Ladungsverstärker AVIs: Bändermodell und Leitungsvorgang PDFs: Aufnahme von Waffendaten 44

45 Extras: Freescale MMA7260Q Eigenschaften 3-Achsen-Sensor Kapazitiv Quelle: [15] Veränderung der Ausgangsspannung Eingebaute Temperaturkompensation Ratiometrizität: Sensitivität und Offset steigen linear zur Eingangsspannung 45

46 Extras: Freescale MMA7260Q Datenblatt MMA7260Q-Rev1.modified.pdf 46

47 Extras: Wheatstonesche Messbrücke Spannungsteiler ges ges Quelle: [16] Reihenschaltung zweier Widerstände: Rges = R1 + R2 Reihenschaltung Strom durch alle Widerstände gleich: Iges = I1 = I2 = Uges / Rges Reihenschaltung Spannung unterschiedlich: U1 = Iges * R1 U2 = Iges * R2 47

48 Extras: Wheatstonesche Messbrücke Wheatstonesche Messbrücke Quelle: [10] Zwei Spannungsteiler Früher zur Messung eines unbekannten Widerstandes durch Ausprobieren von 2 anderen, sodass Spannungspotential = 0 Heute fast nur noch zur Präzisionsmessung. Ein variabler Widerstand, sodass bei dessen Normalwert Spannungspotential = 0 48

49 Extras: Ladungsverstärker Funktionsweise Operationsverstärker Sensor erzeugt Ladung am Eingang fließt der positive Strom Ie Eingangsspannung des OVP erhöht sich geringfügig OVP verstärkt Eingangsspannung Ausgangsspannung Ua wird immer negativer Kondensator lädt sich auf (wirkt dem Eingangsstrom entgegen) 49

50 Extras: Ladungsverstärker Funktionsweise Operationsverstärker Wenn Eingangsstrom = Aufladestrom des Kondensators, ist das Gleichgewicht erreicht Sensor liefert irgendwann keine Ladung mehr Ua bleibt konstant und lässt sich berechnen: Q - Ladung, C - Kapazität 50

51 Quellen [1] [2] [3] Alfred Böge. Vieweg Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik [4] Wolf-Dieter Schmidt. Sensorschaltungstechnik [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Alexander D. Khazan. Transducers and Their Elements: Design and Application. Prentice Hall, [12] www2.usfirst.org/2005comp/manuals/acceler1.pdf [13] [14] [15] Beschleunigungssensor_MMA7260QT.pdf [16] 51

52 Quellen [17] Werkstoffe der Mikrotechnik von Joachim Frühauf, Hanser Verlag 2005 [18] [19] 52