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Automobil

Hochgenau und extrem robust: Sensoren für die Fahrzeugentwicklung

Sensoren für Fahrzeugtests von PKW, LKW, Nutzfahrzeugen und Motorrädern müssen hochempfindlich, robust und sehr kompakt sein. Sie sollten selbst niedrigste Frequenzen und Amplituden messen können, resistent gegenüber Vibrationen und Schocks sein und wenig Bauraum beanspruchen. Sowohl die Beschleunigungs- und Drehratensensoren als auch die Inertial Measurement Units (IMU) von ASC erfüllen diese hohen Ansprüche perfekt. Sie werden von namhaften Automobilherstellern seit vielen Jahren eingesetzt, beispielsweise in der Entwicklung aktiver und passiver Sicherheitsmaßnahmen, für Fahrkomfortmessungen und Betriebsfestigkeitsprüfungen oder in der Schwingungsüberwachung und der Analyse der Fahrdynamik.

Anwendungen im
Bereich Automobil

Selbstfahrende PKW müssen so konstruiert werden, dass sie keine Gefahr für andere Verkehrsteilnehmer darstellen. Ob analog oder digital: Inertial Measurement Units (IMU) von ASC erfassen permanent und präzise die Lage und Bewegung von Objekten.

Für die hochgenaue Positionsbestimmung sind die analoge ASC IMU 8 sowie die digitalen IMUs HG4930 und HGuide i300 von Honeywell die ideale Lösung. Während die analogen IMUs maximale Freiheit bei der Datenverarbeitung bieten und sich die Anwender auf Basis eines Baukastenprinzips ihre IMU applikationsspezifisch konfigurieren können, eignen sich die digitalen Ausführungen auf Grund einer Vielzahl vorkonfektionierter Einstellungen für eine schnelle Inbetriebnahme mittels Honeywell HGuide Data Reader Software.

Darüber hinaus ermöglichen die HGuide Navigators n580 und n380 die Einbindung von GNSS-Signalen wie GPS, GLONASS, BeiDou oder Galileo mittels SBAS, PPK, RTK, Einzel- oder Doppelantennen.

Mittels Betriebsfestigkeitsprüfungen wird die Belastbarkeit von einzelnen Fahrzeugkomponenten getestet. Um herauszufinden wie sich die Bauteile unter realen, vor allem aber auch bei extremen Bedingungen verhalten, werden auf einem Prüfstand oder bei Testfahrten Schwingversuche und Schocktests durchgeführt. Bei diesen Tests kommen auch Sensoren zum Einsatz, die den Einfluss der Belastungen auf die Fahrzeugkomponenten messen. Da an den Prüfständen hohe mechanische Kräfte auf die Bauteile wirken, müssen die Sensoren äußerst robust und zuverlässig sein.

Die kapazitiven Beschleunigungssensoren von ASC eignen sich daher ideal: Der triaxiale Sensor ASC 5521MF zeichnet sich durch einen breiten Frequenzgang von 0 Hz bis 7 kHz aus und verfügt über eine hervorragende Stoßfestigkeit bis 6.000 g.

Ideal für schwer zugängliche Einbaupositionen sind dagegen die uniaxialen Sensoren ASC 4111LN, ASC 4211LN und ASC 4221MF, welche durch ein kompaktes Design überzeugen und nur 3 Gramm wiegen.

Für High Impact- und Stoßanwendungen mit Messbereichen bis zu 6.000 g eignen sich MEMS- basierte piezoresistive Beschleunigungssensoren am besten und gehören daher zu den Crash- Sensoren von ASC.

Die uniaxialen Sensoren des Typs ASC 61C1 und ASC 62C1 werden u. a. bei Seiten- und Frontalaufpralltests eingesetzt.

Der triaxiale Crash-Sensor ASC 76C1 verbindet ein geringes Gewicht (12 Gramm) mit einer kompakten Bauform (Kantenlänge 16 mm). Alle ASC-Crash-Sensoren können kundenspezifisch unter anderem mit Dallas ID sowie EQX-Daten konfiguriert werden. Alle Achsen der triaxialen ASC-Crash-Sensoren können im Bedarfsfall auch einzeln repariert werden.

Ein stark wachsendes Segment in der Automobilindustrie ist der Bereich E-Mobility. Insbesondere Hochvoltbatterien stellen hier eine Schlüsseltechnologie dar.

Kapazitive Beschleunigungssensoren von ASC ermitteln bei Schock- und Vibrationstests die Betriebsfestigkeit der Batterien. Für eine möglichst detaillierte Prüfung der komplexen Batteriestruktur sind extrem genaue und zuverlässige Messungen nötig. Beschleunigungssensoren von ASC verfügen über ein sehr breites Spektrum an Parametern und eignen sich daher optimal für diese Aufgabe.

Sie verfügen nicht nur über einen breiten Frequenzbereich von 0 Hz bis 7 kHz und sind äußert robust mit einer Stoßfestigkeit von bis zu 6.000 g. Die Beschleunigungssensoren weisen auch ein besonders niedriges Rauschverhalten mit einer Auflösung von wenigen Mikro-g auf. Damit erfassen sie selbst geringste Vibrationen und Beschleunigungen exakt.

MEMS-basierte, kapazitive Beschleunigungssensoren mit DC Response von ASC werden u. a. in Fahrdynamikanwendungen wie Spurwechseltests, Bremsprüfungen und Fahrmanövertests eingesetzt. Die Sensoren sind robust, rauscharm, zeigen eine hohe Genauigkeit und haben zudem besonders kompakte Baugrößen. Selbst bei extremen Anforderungen wie Kälte, Hitze, Feuchtigkeit und Staub sind ASC-Sensoren mit den Schutzarten IP67 und IP68 zuverlässig einsetzbar.

Die Modelle der ASC OS-Serie trotzen durch das hermetisch dichte Edelstahlgehäuse auch den rauesten Umgebungsbedingungen. Darüber hinaus sind diese in uniaxialer, biaxialer und triaxialer Ausführung und in den und in den Technologievarianten Low Noise (LN) und Medium Frequency (MF) erhältlich.

Für Gier- und Rollraten-Messungen sowie Positionsmessungen, Bewegungsmessungen und Schlupftests sind die Drehratensensoren ASC 271 (uniaxial) und ASC 273 (triaxial) sowie ASC 281 und ASC 283 ideal geeignet. Sie verfügen über eine sehr gute Bias-Stabilität und eine geringe g-Empfindlichkeit.

In Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsmessungen von Straßenfahrzeugen kommt die ASC IMU 7 zum Einsatz. Sie vereint Beschleunigungs- und Drehratensensoren in sich und kann dank eines einzigartigen Baukastensystems kundenspezifisch konfiguriert werden.

Bei Erprobungsfahrten zum Test von Fahrzeugkomponenten kann dank eines neuen Verfahrens parallel auch die Straßenqualität erfasst werden. Als Grundlage dafür dienen hochgenaue, triaxiale Beschleunigungssensoren des Typs ASC 5521MF.

Die kapazitiven Sensoren eignen sich besonders für die Messung niedriger und mittlerer Frequenzen sowie bei Überlagerung von statischen und dynamischen Anteilen. Dadurch können frequenzbezogene Anteile der vertikalen Fahrwerksbeschleunigung exakt erfasst und spezifische Fingerprints der jeweiligen Straßensegmente erstellt werden

Aufgrund ihrer robusten Bauweise verfügen die ASC 5521MF zudem über eine hohe Beständigkeit gegenüber wiederholten Stoßbelastungen bis 6.000 g. Sie sind damit bestens gerüstet für das Straßenmonitoring auf unebenen Strecken.

Auch im Fahrzeugmonitoring leisten die Sensoren wertvolle Dienste. Sie liefern den Herstellern bei Erprobungsfahrten aussagekräftige Daten über das Belastungsgeschehen am Fahrzeug. Die Genauigkeit der erfassten Daten ist auch deshalb von großer Bedeutung, weil sie die Eingangsgröße für Deep Learning-Algorithmen sind. Die Algorithmen leiten aus wenigen Leitgrößen das Belastungs- und Beanspruchungsgeschehen in unterschiedlichen Fahrzeugbereichen ab. So sparen Hersteller zahlreiche Sensoren ein und reduzieren die Kosten für Fahrzeugerprobungen deutlich.

Fahrkomfortmessungen sind ohne ASC kaum denkbar. Unsere kapazitiven Beschleunigungssensoren helfen dabei, unerwünschte Stöße und Vibrationen zu identifizieren, die den Fahrkomfort der Insassen später beeinträchtigen könnten. Vibrationen bis zu 12 Hz beeinflussen alle menschlichen Organe. Niederfrequente, zyklische Bewegungen im Bereich von 4 Hz bis 6 Hz können den Körper in Resonanz bringen.

Solche unerwünschten Störungen werden beispielsweise durch Reifen verursacht, die über eine unebene Straße rollen. Die menschlichen Reaktionen auf Ganzkörpervibrationen werden mit Hilfe der ASC-Sensoren und unter Berücksichtigung eines Frequenzbereichs von kleiner 100 Hz simuliert und ausgewertet.

Der triaxiale Sensor ASC 5511LN mit seinem niedrigen Frequenz- und Messbereich sowie einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ist für solche Anwendungen bestens geeignet.

Modalanalysen im Automotivebereich verlangen leichte, hochfrequente Beschleunigungssensoren, die die Massenbelastung der Teststrukturen möglichst minimieren.

Der triaxiale IEPE- Beschleunigungssensor ASC P203 wird daher bei modalen Tests verwendet, da dieser nur 6 Gramm (Gehäusematerial Titan), bzw. 7,3 Gramm (Gehäusematerial Aluminium) wiegt und dabei eine Stoßfestigkeit von bis zu 5.000 g aufweist.

Sowohl der triaxiale IEPE-Beschleunigungssensor ASC P203 als auch die uniaxialen Ausführungen ASC P101 und ASC P401 verfügen über den notwendigen hohen Dynamikbereich bis zu 15 kHz (±1 dB) bei verfügbaren Messbereichen von ±50 g bis ±2.000 g.

Bei Anwendungen im Bereich der passiven Akustik geht es u. a. um die Störgeräuschprävention bei der Entwicklung von Fahrzeugen. Dazu werden Tests mit verschiedenen Fahrprofilen durchgeführt,
z. B. auf Schlechtwetterwegstrecken oder grobem Kopfsteinpflaster. Die Funktionsentwickler erkennen Störgeräusche mit ihrem Hörvermögen.

Die Fahrzeuge selbst werden dabei mit Beschleunigungssensoren an Rädern und Bremssattelträgern ausgerüstet, um dynamische Kenngrößen wie Amplituden von Erschütterungen oder Frequenzen von Vibrationen zu erfassen.

Aufgrund der kleinen Bauform und der Robustheit der Gehäuse mit einer Stoßfestigkeit bis zu 6.000 g sind sowohl die uniaxialen Sensoren der Serie Low Noise (z. B. ASC 4311LN) als auch die triaxialen Sensoren der Serie Medium Frequency (u. a. ASC 5421MF) besonders geeignet, um den Kompromiss zwischen großem Messbereich und geringem Rauschen zu gewährleisten.

Das Spektrum an Parametern ermöglicht nicht nur Messungen über einen breiten Frequenzbereich von 0 Hz bis 7 kHz. Die Sensoren weisen auch ein besonders niedriges Rauschverhalten mit einer Auflösung von wenigen Mikro-g auf.

Prüfstandanwendungen erfordern den Einsatz von Beschleunigungssensoren, die langen, kontinuierlichen Anforderungen genügen. Sowohl die kapazitive Serie Medium Frequency (MF) von ASC als auch die kapazitiven Sensoren der Serie Low Noise (LN) sind aufgrund ihrer Temperaturstabilität, Robustheit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestens dafür geeignet.

So sind die ASC 4421MF– und ASC 5421MF-Sensoren für Anwendungen mit einer Betriebstemperatur von -40 °C bis +125 °C einsetzbar. Steht die maximale Auflösung im Fokus der Messaufgabe sind die Sensoren ASC 4411LN und ASC 5411LN prädestiniert, da diese je nach Messbereich eine Rauschdichte von 7 µg/√Hz bis 400 µg/√Hz aufweisen.

Sonderlösungen

Sehr gerne nehmen unsere Entwicklungsingenieure die Herausforderung an, individuelle Lösungen für spezielle Aufgabenstellungen zu entwickeln; auch in kleinen Auflagen.

Service

Presse: Köhler + Partner GmbH

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Management

Karriere

Anfrage: Automobil

Anzahl Achsen
Sensortechnologie
Sensorart

ASC 5415LN

Triaxial, kapazitiv
Messbereich: 2 bis 400 g
Rauschdichte: 7 bis 400 g/?Hz
Frequenzbereich (5 %): DC bis 1000 Hz

ASC P101A25

Uniaxial, IEPE
Messbereich: 50 bis 1000 g
Frequenzbereich (10 %): 0,3 Hz bis 10 kHz
Skalierungsfaktor: 5 mV/g bis 100 mV/g