Sensoren im Kraftfahrzeug PDF
Preview Sensoren im Kraftfahrzeug
Konrad Reif (Hrsg.) Sensoren im Kraftfahrzeug Mit 221 Abbildungen Bosch Fachinformation Automobil Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter dem Titel: Sensoren im Kraftfahrzeug herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag|Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010 Lektorat: Christian Kannenberg | Elisabeth Lange Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich g es chützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläss ig und strafb ar. Das gilt insb e- sondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Gabriele McLemore Satz: FROMM MediaDesign, Selters/Ts. Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1315-2 Vorwort Ӏ 5 Vorwort Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neu- erungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahr- zeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik. Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfüg- baren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt. Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums. Hier setzt die Schriftenreihe „Bosch Fachinformation Automobil“ an. Sie bietet eine umfassen- de und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter, verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleu- ten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Ar- beitnehmer dafür aufbringen kann. Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, an- schauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Rei- he das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung, ist das Hintergrundwissen zu konkreten Aufgabenstellungen professionell erklärt. Die schnelle Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen. Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf. Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzei- tig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug. Der vorliegende Band „Sensoren im Kraftfahrzeug“ behandelt Grundlagen zu Sensoren im Kraftfahrzeug, Sensormessprinzipien und Sensorausführungen. Er entspricht dem früheren gel- ben Heft „Sensoren im Kraftfahrzeug“ in der bisherigen Form. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird folgen. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu erschließen. Friedrichshafen, im Juni 2010 Konrad Reif Inhaltsverzeichnis Ӏ 7 Inhaltsverzeichnis Sensoren im Kraftfahrzeug Grundlagen und Überblick ........................................................................................................................... 10 Einsatz im Kraftfahrzeug ............................................................................................................................... 13 Angaben zum Sensormarkt .......................................................................................................................... 16 Besonderheiten von Kfz-Sensoren ............................................................................................................. 17 Sensorklassifikation ....................................................................................................................................... 18 Fehlerarten und Toleranzanforderungen ................................................................................................... 20 Zuverlässigkeit ................................................................................................................................................ 21 Hauptanforderungen, Trends ...................................................................................................................... 24 Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren ................................................................................ 31 Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien ................................................................................... 33 Sensormessprinzipien Positionssensoren .......................................................................................................................................... 34 Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren ............................................................................................... 63 Beschleunigungssensoren .......................................................................................................................... 75 Drucksensoren ................................................................................................................................................ 80 Kraft- und Drehmomentsensoren ............................................................................................................... 83 Durchflussmesser .......................................................................................................................................... 92 Gassensoren und Konzentrationssonden ................................................................................................ 98 Temperatursensoren ...................................................................................................................................... 102 Optoelektronische Sensoren ...................................................................................................................... 112 Sensorausführungen Motordrehzahlsensoren ................................................................................................................................ 120 Hall-Phasensensoren .................................................................................................................................... 122 Drehzahlsensoren für Getriebesteuerung ................................................................................................ 123 Raddrehzahlsensoren ................................................................................................................................... 126 Mikromechanische Drehratesensoren ....................................................................................................... 130 Piezoelektrischer Stimmgabel-Drehratesensor ....................................................................................... 133 Mikromechanische Drucksensoren ............................................................................................................ 134 Hochdrucksensoren ...................................................................................................................................... 136 Temperatursensoren ...................................................................................................................................... 137 Fahrpedalsensoren ........................................................................................................................................ 138 Lenkwinkelsensoren ...................................................................................................................................... 140 Positionssensoren für Getriebesteuerung ................................................................................................ 142 Achssensoren ................................................................................................................................................. 145 Heißfilm-Luftmassenmesser ........................................................................................................................ 146 Piezoelektrische Klopfsensoren .................................................................................................................. 149 OMM-Beschleunigungssensoren .............................................................................................................. 150 Mikromechanische Bulk-Silizium-Beschleunigungssensoren .............................................................. 152 Piezoelektrische Beschleunigungssensoren ........................................................................................... 153 Kraftsensor iBoltTM ......................................................................................................................................... 154 Drehmomentsensor ....................................................................................................................................... 156 Ultraschallsensor ............................................................................................................................................ 157 Regen-/Lichtsensor ....................................................................................................................................... 158 Schmutzsensor ............................................................................................................................................... 159 Zweipunkt-Lambda-Sonden ........................................................................................................................ 160 8 Ӏ Inhaltsverzeichnis Planare Breitband-Lambda-Sonde LSU4 ................................................................................................. 164 Climate Control Sensor ................................................................................................................................ 166 Abkürzungen ................................................................................................................................................... 167 Sachwortverzeichnis ..................................................................................................................................... 169 Autorenverzeichnis Ӏ 9 Autorenverzeichnis Sensoren im Kraftfahrzeug Autoren und Mitwirkende Dr.-Ing. Erich Zabler, Dipl.-Ing. Peter Weiberle, Dr. rer. nat. Stefan Fingbeiner, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Papert, Dr. rer. nat. Wolfgang Welsch, Dipl.-Ing. Christian Gerhardt, Dr. rer. nat. Hartmut Kittel, Dipl.-Ing. Klaus Miekley, Dr. rer. nat. Christian Bauer, Dipl.-Ing. Roger Frehoff, Dipl.-Ing. Günter Noetzel, Dipl.-Ing. Martin Mast, Dr.-Ing. Harald Emmerich, Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Bauer, Dipl.-Ing. (FH) Gerald Hopf, Dr. Michael Harder, Dr.-Ing. Uwe Konzelmann, Dr.-Ing. Klaus Kasten, Dr. rer. nat. Thomas Wahl, Dipl.-Ing. Peter Brenner (ZF Lenksysteme Dr.-Ing. Reinhard Neul, GmbH, Schwäbisch Gmünd), Dr.-Ing. Wolfgang-Michael Müller, Dipl.-Ing. Frank Wolf, Dr.-Ing. Claus Bischoff, Dr.-Ing. Johann Riegel, Dr. Christian Pfahler, Dr. Michael Arndt Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart. 10 | Sensoren im Kraftfahrzeug | Grundlagen und Überblick Sensoren im Kraftfahrzeug Der Begriff Sensor führte sich ein, als Grundlagen und Überblick in den zurückliegenden 20…40 Jahren Messfühler auch in Konsumanwen- Begriff/Definition Sensor dungen (z. B. Kraftfahrzeug und Haus- Als elektrische Größen gelten hier nicht gerätetechnik) einzogen. Sensoren – be- nur Strom und Spannung, sondern auch grifflich identisch mit (Mess-)Fühlern Strom-/Spannungsamplituden, die Fre- und (Messwert-)Aufnehmern – setzen quenz, Periode, Phase oder auch Puls- eine physikalische oder chemische dauer einer elektrischen Schwingung (meist nichtelektrische) Größe F in eine sowie die elektrischen Kenngrößen Wider- elektrische Größe E um; dies geschieht stand, Kapazität und Induktivität. Der Sen- oft auch über weitere, nichtelektrische sor lässt sich durch folgende Gleichungen Zwischenstufen. charakterisieren: In Tabelle 1 sind die verschiedenen Sen- (1) E = f (F, Y , Y …) 1 2 soreinsatzgebiete zusammengestellt und Sensorausgangssignal verglichen. Bild 1 gibt einen Eindruck von (2) F = g (E, Y , Y …) 1 2 der Fülle bereits bestehender elektro- gesuchte Messgröße nischer Systeme in Kraftfahrzeugen, deren Zahl sich in Zukunft zweifellos noch we- Sind die Funktionen f oder g bekannt, so sentlich erhöhen wird. stellen sie ein Sensormodell dar, mit Hilfe dessen sich die gesuchte Messgröße aus dem Ausgangssignal E und den Einfluss- größen Y praktisch fehlerfrei auch ma- i 1 Vielfalt der Fahrzeugsysteme mit Sensoren AntrieDrb u c s(kssGetetnrriseaobrenLstage d u e e(rdrEuluneckgt,kr soMeniontsrLcsohuofn reit c )Dmi Keal s s oe sl pr efesnUgeselmenugsnnesogrb,o r(u M(nHMotgooMr ts coro t dorhn(irnodicBur)nceic)unck)cziskne-sneDisrnLeosrak to(remiMnbsodtprrai-toznSiucon)gn,D drC ee o h z(mamGhoeltnrs ieeRnabilsTe)aostr n e k u(derrOuunc-nkBg,so earMndosP-troeD ori d na ia lgc)Gnwaoessgpe)gedeabl,e r El(eWEilk ten r kko t(rehloy-Mn/diortsPracuoolhisneiistscci)hoe nsBrgeembKseero)mfDroerhtratesLeuf nt sgo üF rt e (e u sNce a(hvntiHseg-eoai/rtiz T(oueKnnl)imgspm-e arruDaerntgudu ecrlKksulisenemng)nasrsoReroegr ge( le uZ(nneSsgnct)erhnaelisvboererrniAewbi gs s tecl a(huneRnrdügs)tsckesrueaenursumonrü gb)Uelrtrwaascchhuanllg) AbsStiancdhsreardarh (eAitCC, Pr(eSccNrheaiesighnu)wnegrfsHesroevcnehrssdotrrelulcuknsg)ensor (ESP) Drehmom e(ntSsereLvneolsneokrnrkaudnwgi)nkelsensor (ESP) BeschleSuitnizgbuelneggsusenngsBseosrse (cDnrAhsileroebhr rua(agntiA)iergsbueangng)ssosr e(nEsSo Nr P e()i(SgAicuBhnSe)grsusnegnsss yDo rsr(teeÜhbrmeaert)reolDslreseenhnszsoiarehrlusnegn)sor (ABS) UAE0816-1D Sensoren im Kraftfahrzeug | Grundlagen und Überblick | 11 1 Sensoreinsatzgebiete Typische Merkmale Primärstandards Präzisions- Industrie- Konsumtechnik messtechnik messtechnik Genauigkeit 10–11...10–7 2...5 · 10–4 2...5 · 10–3 2...5 · 10–2 100 TEUR... Kosten einige TEUR einige 100 EUR 1...10 EUR 1 Mio. EUR Stück/a einzelne ca. 10 100...1 k 10 k...10 Mio. Einsatz – Forschung, – Eichung – Prozessinstru- – Kfz-Elektronik, – Prüfung Sekun- metrierung, – Haustechnik därnormale – Fertigungsmess- (Domotik) technik Tabelle 1 thematisch berechnen lässt (intelligente vorherrschenden digitalen Aufbereitung Sensoren, engl.: intelligent oder smart der Sensorsignale werden diese Mo- sensors). dellparameter meist in einem program- mierbaren, nichtflüchtigen Speicherteil Abgleich (PROM) abgelegt. Im Gegensatz zur her- Das Sensormodell enthält im realen Fall kömmlichen analogen Kompensation von immer einige freie Parameter, mit denen Einflussgrößen können hier nicht nur etwa in einer Art Abgleichvorgang (Bild 4a) das linear wirkende Einflüsse, sondern auch Modell an die tatsächlichen Eigenschaften stark nichtlineare Verläufe gut korrigiert des individuellen Sensorexemplars an- werden. Sehr vorteilhaft ist auch, dass bei gepasst werden kann. Bei der inzwischen dieser Art der Kalibrierung, die über eine rein elektrische Verbindung erfolgt, jeder 2 Sensorsymbol Sensor während der Kalibrierphase leicht unter Betriebsbedingungen gehalten wer- den kann. ▶ Begriff Smartsensor E In etwas allgemeinerer Form lassen sich „Intelligente Sensoren“ (Smartsensor) Y 15 folgendermaßen definieren: 8 0 Intelligente, manchmal auch integrierte E UA Sensoren oder Sensoren mit (exemplar-) spezifischer Elektronik vor Ort genannte Sensoren, erlauben die in einem Sensor 3 Sensorgrundfunktion steckende (statische und dynamische) Genauigkeit mit den Mitteln der (meist auch digitalen) Mikroelektronik bis zu einem weit höheren Maße auszunutzen als konventionelle Sensoren. Hierbei physikal./chem. elektrisches kann die Sensorinformation, insbeson- Sensor Größe Φ (nicht Ausgangs- dere auch die komplexe Information von elektrisch) signal E Multisensor-Strukturen, durch Weiterver- arbeitung vor Ort verdichtet, d. h. auf ein Störgrößen (cid:2)i (Temperatur, D höheres Niveau gebracht werden (als es 3 der einfache Sensor vermag), ohne dazu Versorgungsspannungs- 1 schwankung ...) E09 eine Vielzahl von äußeren Anschlüssen zu LA benötigen. 12 | Sensoren im Kraftfahrzeug | Grundlagen und Überblick Es gibt keine klare Festlegung, ob Sen- Speicherung der Korrekturparameter soren einen Teil der Signalverarbeitung Aus den zuvor gewonnenen Daten berech- bereits beinhalten können oder nicht; es net der Hostrechner die exemplarspezi- wird jedoch empfohlen, nicht beispiels- fischen Modellparameter z. B. für einen weise zwischen Elementarsensor, Sen- linearen Kennlinienverlauf und speichert sorzelle o. ä. und integriertem Sensor zu diese in den PROM des Smartsensors ein. unterscheiden. In einem Kontrolldurchlauf können diese auch zunächst in einem RAM des Host- Abgleichvorgang rechners emuliert werden, bevor sie end- Die Programmierung bzw. Kalibrierung gültig und nichtflüchtig im Smartsensor eines Smartsensors erfolgt – entsprechend „eingebrannt“ werden. Werden Kennlinien dem Abgleich herkömmlicher analoger mit Polynomen höheren Grades angenä- Sensoren – meist mit Hilfe eines externen hert, können zur Vermeidung langwieriger Rechners (Host) in drei Schritten (Bild 4): Rechenprozesse im Smartsensor auch Kennfelder (Look-up tables) abgespei- Istwertaufnahme chert werden. Sehr bewährt hat sich auch Der Hostrechner variiert sowohl die Mess- die Abspeicherung eines grobmaschigen größe x als auch die Einflussgröße(n) Kennfeldes in Verbindung mit einer ein- e y systematisch und stellt dabei eine fachen linearen Interpolation zwischen bestimmte Anzahl relevanter und reprä- den Stützstellen (Beispiel in Bild 5 darge- sentativer Betriebspunkte ein. Dabei gibt stellt). der Smartsensor die noch unkorrigierten „Rohsignale“ x* an ihn aus. Über wesent- Betriebsphase a lich genauere Referenzsensoren erhält der Der Smartsensor wird nun vom Host- Host jedoch auch gleichzeitig die „wahren“ rechner abgekoppelt und ist in der Lage, Größen x und y. Aus dem Vergleich beider mittels der eingespeicherten Modelldaten e Größen errechnet der Host die notwen- selbst die Messgröße x sehr fehlerarm zu e digen Korrekturgrößen und interpoliert berechnen. Er kann sie an ein angeschlos- diese auf den gesamten Messbereich. senes Steuergerät z. B. in digitaler, bitseri- eller oder aber auch analoger Form (z. B. pulsdauermoduliert) übertragen. Mittels einer Busschnittstelle kann die Messgröße 4 Abgleich/Kalibrierung eines Smartsensors 1 . ) aIsutfwnearhtm- e Messgröße xey Ssemnasrotr- xa* Einflussgrößen Externer PROM Kalibrier- Referenz- xe rechner sensoren y Systematische Variation von Mess- und Einflussgrößen 2.) Speicherung Smart- Externer Korrektur- sensor Kalibrier- parameter PROM rechner 3 . ) pBheatrsieebs- Bgreötßrieenbs- xye SsPemRnOasroMtr- xe Sgteeuräetr- 1014-1D E A S Sensoren im Kraftfahrzeug | Einsatz im Kraftfahrzeug | 13 digital auch an weitere Steuergeräte ver- Einsatz im Kraftfahrzeug teilt werden. Dieser Vorgang kann – im Gegensatz Mit steigenden Anforderungen an alle zum herkömmlichen Laserabgleich – prin- Fahrzeugfunktionen wurden in den let- zipiell auch wiederholt werden, wenn ein zen 40 Jahren sukzessive die zunächst löschbares PROM verwendet wird. Dies ist mechanisch realisierten Steuer- und gerade in der Entwicklungsphase von Sen- Regelfunktionen durch elektronische soren ein Vorteil. Einheiten (ECU, electronically controlled unit) ersetzt. Daraus entstand zwangs- 5 Messwertinterpolation über Stützstellenkennfeld läufig ein hoher Bedarf an Sensoren und Aktoren, mit denen diese elektronischen Interpolations- m = 0, …, 32 wert s (T,q) Steuereinheiten einerseits die relevanten sMessweg T e mqpmeraqtuqdr qmq+1 s1 sa2 sb s4 Fatdruaaihechh riwnz b uebeureedgiiesznp ufinlisuet dlsälsnioeedssneee n kne oM rJnfaaonhsttroseeernnn d. zDueurni e deE iK nantfnewzdm-iIec nbrkdsi-seu ist-s 3 Dq lung von in großer Stückzahl herstellbaren Sensoren. Periodendauer T T dT DT D eleHkatrttoemn edciheasen iasncfhaen ogds enro wchie e ainuec hm iemismt er n = 0, …, 64 n T T 1044 gdeearr Ttereten dm aauksrgoamnegcsh daenri s1c9h8e0 Feor-rJmah, sreo egiinn-g n+1 E A U deutig hin zu miniaturisierten, mit den Me- Beispiel: Zweidimensionales Stützstellen- thoden der Halbleiterherstellung (Batch Kennfeld s (Tn, Um) eines Smartsensors zur Messung eines Weges s: 6 Meilensteine der Sensorentwicklung für das Kfz Zur hochgenauen Auswertung des als 1950 Lambda-Sonde variable Induktivität wirkenden Sensors wird seine natürliche Kennlinie sowie 1960 Elektromechanischer Drucksensor deren Temperaturgang jeweils mit Po- Piezoelektrischer Klopfsensor lynomen 5. Grades angenähert. Er gibt als frequenzbestimmendes Glied einer 1970 Erster integrierter Hall-Sensor sehr einfachen Oszillatorschaltung als Dehnmessstreifen-Beschleunigungs- unkorrigiertes Ausgangssignal die Peri- sensor für Airbag odendauer T ab. Als Sensormodell für Erster Drucksensor auf Silizium-Basis den Messweg s wird statt der insgesamt 36 Polynomkoeffizienten und einer 1980 Hitzdraht-Luftmassenmesser langwierigen Polynomauswertung ein Dickfilm-Luftmassenmesser insgesamt nur 32 x 64 = 2048 exemp- Integrierter Drucksensor larspezifische Werte sn,m umfassendes, grobes Kennfeld (im PROM) und ein 1990 Mikromechanischer Beschleunigungs- einfacher Interpolationsalgorithmus (im sensor für Airbag ROM) abgelegt. Tritt ein Signal T zwi- Piezoelektrischer Drehratesensor schen diesen Stützstellen Tn und Tn+1 für ESP sowie eine Temperatur U zwischen den Mikromechanischer Luftmassenmesser Stützstellen Um und Um+1 auf, so wird Mikromechanischer Drehratesensor gemäß der Abbildung zwischen den „feh- lerfrei“ abgespeicherten Eckwerten s1,... 2000 Drehratesensor für Überrollsensierung s4 zweidimensional interpoliert und so 5D der gesuchte Messwert s(T, U) als Inter- 4 0 polationsergebnis ermittelt. E1 A U
The list of books you might like
