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Sensoren

Sensoren sind technische Bauteile, die chemische und physikalische Eigenschaften von Stoffen erfassen. Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Schall, Helligkeit, Beschleunigung, ph-Wert sind z. B. solche Eigenschaften.  

Unser Veranstaltungsangebot:

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Funktionsmaterialien - Die Basis der modernen High-Tech-Industrie
14.02.2017 - 15.02.2017 in Essen
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Antennentechnik Basiswissen - Theorie und Experiment
14.03.2017 - 15.03.2017 in München
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Konstruktionsstrategien für Maschinen mit mechatronischen Baugruppen
16.03.2017 - 17.03.2017 in Berlin
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Vernetzte Fahrzeuge und Fahrerassistenzsysteme (ADAS)
03.04.2017 - 04.04.2017 in München
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Magnetische Bestimmung von Position, Bewegung und Strom
21.06.2017 - 22.06.2017 in Hannover
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Sensoren im Automobil
19.04.2018 - 20.04.2018 in München

Sensoren im KFZ

Sensoren nehmen im Automobil eine bedeutende Rolle ein. Die von einer Vielzahl von Sensoren gelieferten Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik zur Motorsteuerung, Fahrstabilität, Sicherheits- und Komforterhöhung genutzt. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik sind zusätzliche und genauere Sensorinformationen unabdingbar. Zur Erzeugung dieser Informationen gewinnen neben der Optimierung bekannter Sensorprinzipien zunehmend auch neue Sensorsysteme an Bedeutung. Diese Sensorsysteme unterliegen neben den hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.

Sensoren in der Automatisierungstechnik

Die Automatisierung von Produktions-, Logistik- und Fabrikprozessen hat sich zu einem bedeutenden wirtschaftlichen Erfolgsfaktor entwickelt. Automation braucht Sensorik. Erst wenn Sie richtig gemessen haben, können Sie damit auch steuern und regeln. Neuartige Sensorstrukturen, moderne Herstellungstechnologien und leistungsfähige Signalverarbeitungssysteme bilden die Basis für den großen Erfolg der Automatisierungstechnik.

Stichworte: Sensoren zur Positionserfassung, Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen, Sensoren zur Erfassung fluidischer Größen, Sensoren zur Erfassung der Temperatur, von Wegen und Winkeln, zur Erkennung von Objekten, Magnetsensoren, Hallsensoren, Magnetfeldsensoren.


Piezosensoren

Piezoelektrische Stoffe wandeln mechanische Belastung in elektrische Energie um und umgekehrt. Heute werden Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften gezielt hergestellt. Die Ausdehnungen des Materials sind zwar nur gering aber durch einen geschickten Aufbau ergeben sich zahlreiche interessante Anwendungsmöglichkeiten. So finden piezoelektrische Werkstoffe verbreitet Anwendung bei der Motorsteuerung im KFZ, zur Schall- und Schwingungsreduktion, in Sensoren und Aktoren, in Montagerobotern und überall dort, wo sehr schnelle und exakte Bewegungen benötigt werden.

Piezoelektrizität ist ein physikalisches Phänomen, das alle aus Ionen aufgebauten Kristalle aufweisen, die eine polare Achse besitzen. Bei einer Deformation dieser Kristalle tritt ein resultierendes Dipolmoment auf oder vorhandene ändern sich, so dass an der Oberfläche Aufladungen beobachtet werden (direkter Piezoeffekt). Bei natürlichen Kristallen ist dieses Verhalten bei Turmalin, Quarz und Seignettesalz besonders stark ausgeprägt. Das Auftreten von Oberflächenladungen bei Einwirkung eines äußeren Druckes wurde zuerst im Jahre 1880 von J. und P. Curie beschrieben. Kurz darauf konnten sie auch experimentell nachweisen, dass sich ein Kristall durch Anlegen eines elektrischen Feldes auch mechanisch deformieren lässt (indirekter Piezoeffekt). Werden piezoelektrische Kristalle mit polarer Achse und einem permanenten Dipolmoment einer Temperaturhöhe ausgesetzt, tritt neben der thermischen Ausdehnung auch eine Änderung der Polarisation und damit eine Änderung der Oberflächenladung auf; dieser Effekt wird Pyroelektrizität genannt. Bei manchen Kristallen mit einem permanenten Dipolmoment kann die polare Achse des Kristalls durch Anlegen eines elektrischen Feldes gedreht werden, wobei die Änderung nach Abschalten des elektrischen Feldes erhalten bleibt. Da dieses Verhalten zu großen nichtlinearen Effekten bei Polarisation und Dehnung als Funktion des elektrischen Feldes führt, wurde in Analogie zum Ferromagnetismus der Begriff der Ferroelektrizität eingeführt.


Energy Harvesting

Als Energy Harvesting bezeichnet man die Erzeugung von Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Die Industrie entwickelt bereits heute Energiequellen für drahtlose Sensornetzwerke oder Anwendungen wie etwa Fernbedienungen an schwer erreichbaren Stellen. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien. An dieser Art der Stromgewinnung wird zur Zeit intensiv gearbeitet. Dabei sind einige Hürden zu nehmen. Dazu zählt zunächst die Schaltanordnung eines solchen Systems. Dieses muss die Energie erzeugen, anreichern, speichern und schließlich an das zu versorgende Gerät weitergeben. Eine weitere Herausforderung stellt die Energiequelle dar – wie etwa die Vibration einer Maschine –, die nicht ständig verfügbar ist. Erst ab einem bestimmten Schwellenwert kann sie ausgenutzt werden. Andererseits braucht das Modul im Falle zu hoher Leistungen Mechanismen, um sich vor Überlastschäden zu schützen. Die abgegebene Energie eines Moduls wiederum muss an den Bedarf der zu versorgenden Systeme angepasst sein. Je nach Auslastung kann die dafür erforderliche Energiemenge also über mehr oder weniger große Zeiträume angesammelt werden. Sie muss dann jedoch ausreichen, damit der Sensor einen Arbeitszyklus wie etwa den Transfer von Messdaten ausführen kann. Die Möglichkeit der Energiegewinung durch den piezoelektrischen Effekt wird nun näher erläutert. Der direkte piezoelektrische Effekt (Ladungsverschiebung infolge mechanischer Krafteinwirkung) kann nicht nur bei Sensoren, Transformatoren und zur Dämpfung von Strukturschwingungen eingesetzt werden, sondern ist auch zur Energieerzeugung und zur Wandlung ungenutzter Energien sinnvoll einsetzbar. Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozünder bekannt, die die meist durch Handbetätigung eingebrachte mechanische Energie in einen Zündfunken wandeln. Neuere Anwendungen in diesem Bereich sind Funkschalter, bei denen die für das Funksignal notwendige Energie ebenfalls durch von Hand betätigte Piezoelemente bereitgestellt wird. Im Bereich autarker Sensoren können Piezoelemente die für das Messverfahren und eine eventuelle Funkübertragung benötigte Energie erzeugen, in dem sie in der "Umgebung" vorhandene Schwingungsenergie wandeln. Beispiele von Sensoren, die möglichst ohne Verkabelung auskommen sollten, sind z. B. Regen- oder Lichtsensoren, die direkt an der Windschutzscheibe eines Kfz angebracht werden und die vorhandenen Karosserieschwingungen zur
Energiegewinnung ausnutzen. Auch für den Breiteneinsatz in der Konsumgüterindustrie werden in Zukunft Systeme benötigt, die z. B. aus der ganz normalen Laufbewegung etwas Energie ‚abzwacken', um Geräte wie Mobiltelefone, MP3-Spieler oder Digitalkameras mit der notwendigen Energie zu versorgen. Darüber hinaus wird es ‚intelligente' Kleidung geben, die ebenfalls mit Energie versorgt werden muss, wie z. B. den neuen Sportschuh "ADIDAS 1", der seine Dämpfung der jeweiligen Laufsituation anpasst.
Quelle: Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn  

 

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