LernJob Naturwissenschaften - Physik Wie funktioniert ein Foliendrucksensor?

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1 LernJob Naturwissenschaften - Physik Wie funktioniert ein Foliendrucksensor? Lernbereich: Kräfte als Modell zur Erklärung und Vorhersage von Kraftwikungen benutzen Zeitrichtwert: 90 Minuten Index: BGY PH 2.2a Kompetenzen: F3 und K3 Mit diesem LernJob können Sie die Funktionsweise eines Kraftsensors am Beispiel eines Foliendrucksensors erarbeiten. Foliendrucksensoren werden unter anderem in Autositzen zu Erkennung der Sitzbelegung verbaut. Sie waren, wenn der Gurt nicht angelegt wurde oder lösen den Airbag in Abhängigkeit der Belegung aus. Lernauftrag 1. In der rechten Abbildung ist der Aufbau eines Foliendrucksensors dargestellt. a) Lesen Sie den unteren Text zur Funktionsweise eines Foliendrucksensors. Funktion eines Foliendrucksensors Der Foliendrucksensor besteht aus zwei Folien. Zwischen den Folien befindet sich ein Abstandshalter mit einer innenliegenden Luftschicht. Auf einer der Folie sind zwei Leiterbahnen in Form eines Kammes aufgebracht. Die Leiterbahnen berühren sich nicht. Auf der zweiten gegenüberliegenden Leiterbahn befindet sich eine elektrisch leitfähige Schicht. Übt man eine Druckkraft auf den Sensor aus, so berühren sich die Folien. Die Leiterbahnen werden durch die leitfähige Schicht kurz geschlossen und es kann ein Strom fließen. Je größer die Druckkraft ist, umso mehr Leiterbahnen werden kurz geschlossen. Der Widerstand des Foliendrucksensors fällt somit ab. Ein Fingerdruck von 10 g bis 10 kg auf einen Sensor bewirkt, dass der Widerstand von ca. 1 MΩ auf ca. 3 kω abfällt. b) Beschriften Sie die Bauteile A bis E des Foliendrucksensors. c) Mit einem Foliendrucksensor kann man die auf den Sensor wirkende Kraft nicht direkt messen. Vielmehr wird aus der Kenngröße des Sensors die Kraft berechnet.

2 Geben Sie an, welche Größe unmittelbar am Foliendrucksensor gemessen wird. Beschreiben Sie weiterhin, wie sich diese Größe in Abhängigkeit der Druckkraft ändert. 2. Im folgendem sollen Sie den elektrischen Widerstand R [kω] eines Foliendrucksensors in Abhängigkeit der Druckkraft F [N] aufnehmen und in einer Tabelle darstellen. Der Versuch wird mit einem µcontroller durchgeführt. a) Bauen Sie den Versuch entsprechend der unteren Abbildung auf. Der Widerstand und der Port des Jumperkabels L3 sind aus dem Programmablaufplan der Anlage herauszulesen. Nachdem Sie die Spannungsversorgung angeschlossen haben, startet der µcontroller. Wählen Sie mit der LEFT und RIGHT TASTE das Programm Foliensensor aus. Legen Sie eine 10g-Mass mittig auf den Foliendrucksensor. b) Erhöhen Sie schrittweise die Masse um 50 Gramm und dokumentieren Sie die Messwerte in der unteren Tabelle. c) Stellen Sie die Druckkraft F [N] (y-achse) in Abhängigkeit des Widerstandes R [kω] (x-achse) in einem Diagramm dar. Abb. 1: Versuchsaufbau Foliendrucksensor

3 Tabelle 1: Widerstand eines Foliendrucksensors m [g] F [N] R [kω] Diagramm 1: Widerstandskennlinie eines Foliendrucksensors 3. Betrachten Sie die Messwerte im Diagramm 1. Geben Sie an, welcher mathematische Zusammenhang zwischen dem Widerstand R [Ω] und der Kraft F [N] besteht (z.b.: 1. Lineare Funktion, 2. Quadratische Funktion, 3. Logarithmusfunktion oder 4. Exponentialfunktion mit negativem Exponent). (1) (2) (3) (4) 4. Die rote Warnleuchte (LED) soll bei einer Druckkraft von 2.0 N abschalten. Geben Sie an, welcher Widerstandwert R [kω] in der Verzweigung des Programmablaufplans der Anlage eingestellt werden muss.

4 5. Zur genauen Bestimmung der Masse eines Körpers werden keine Foliendrucksensoren sondern so genannte Wägezellen (vgl. LernJob BGY PH 2.2b) verwendet. Begründen Sie anhand ihrer vorgenommenen Messungen, warum bei Waagen keine Foliendrucksensoren verbaut werden. 6. Fassen Sie die Ergebnisse des Experiments zusammen und tauschen Sie sich in der Lerngruppe über diesen aus.

5 Anlage: Programmablaufplan Foliendrucksensor Start Schleife Sensor-Port auslesen Wert = SensorPort A5 Spannung berechnen U R = 5 V / 1023 x Wert Widerstand berechnen R = 1500 Ω x U R / (5 V U R ) R < 10 kω ja nein rote LED an Spannung Port 2 HIGH 5.0 V rote LED aus Spannung Port 2 LOW 0.0 V Ausgabe LCD Widerstand R in kω Warten 500 ms Ende Anlage 2: Belegungssensor Autositz (Quelle: BOSCH)