Sensoren im Kraftfahrzeug

173 Pages·2010·2.96 MB·German

by  Konrad Reif (auth.), Konrad Reif (eds.)

Konrad Reif (Hrsg.)
Sensoren
im Kraftfahrzeug
Mit 221 Abbildungen
Bosch Fachinformation Automobil
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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
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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