Sensorik

Was sind Sensoren?

Bei einem Sensor handelt es sich im weitesten Sinne um ein Messgerät.
Es werden Umwelteinflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Gase, etc. gemessen und in elektrische Signale umgewandelt. Diese können dann von einer Auswerte-Einheit (Steuergerät) erfasst und interpretiert werden. Die Steuergeräte senden im Anschluss Signale an Aktoren, um notwendige Anpassungen oder Aktionen durchzuführen.

Ein Beispiel:
Die Innenraumtemperatur im Fahrzeug wird mit Hilfe eines Temperatursensors gemessen. Eine Steuerelektronik interpretiert die gemessene Temperatur als zu niedrig und aktiviert die Heizung.

Sensoren – im Kraftfahrzeug

Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug wird in der Regel zwischen drei Hauptkategorien unterschieden:

  • Sensoren im Antriebsstrang / Motor
    Der Antriebsstrang bzw. die Motoreneinheit sind eine Gruppe von Komponenten im Kraftfahrzeug, die Drehmoment erzeugen und an die Antriebsräder leiten. Sensoren in diesem Bereich sorgen für den reibungslosen Ablauf dieser Einheit, z. B.: Abgassensoren, Lambdasonden, Drucksensoren im Motor, etc.
  • Sicherheits – Sensoren
    Diese Sensoren sind für die Sicherheit des Fahrzeugs und seiner Insassen notwendig. Ein ABS – Geschwindigkeitssensor z. B., verhindert das Blockieren des Rades beim Bremsen. Aufprallsensoren sorgen dafür, dass der Airbag bei einem Unfall ausgelöst, usw.
  • Sensoren zur Erhöhung des Komforts
    Komfortsensoren sind für die Bequemlichkeit des Fahrers zuständig. Als Beispiel sei der Regensensor angeführt.

Dieser erkennt Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe, so dass ein Steuergerät die Scheibenwischer elektronisch einschalten und regeln kann.

Welche Arten von Sensoren gibt es im Fahrzeug und wie werden sie eingesetzt

In diesem Glossar wird auf häufig eingesetzte Sensortypen und deren Funktionsweise im Fahrzeug eingegangen.
Alle existierenden Sensoren zu betrachten würde den hier zur Verfügung stehenden Rahmen sprengen.

Optische Sensoren

Optische, oder auch optoelektronische Sensoren erfassen in einem gewissen Spektrum mittels Licht Gegenstände und können in der Folge diverse Aktionen auslösen. Hier werden stellvertretend einige typische Vertreter der optischen Sensoren angeführt

LiDAR (Light Detection and Ranging)

Bei einem LiDAR / Lasersensor wird mit Hilfe eines rotierenden Laserstrahls die Umgebung eines Fahrzeuges abgescannt, vermessen und erfasst. Aus den erfassten Daten kann ein drei dimensionales Abbild der Umgebung erzeugt werden. (Siehe auch Glossareintrag LiDAR)

Regensensoren

Leuchtdioden (LEDs) senden Infrarotlicht aus, welches an der äußeren Scheibenoberfläche der Windschutzscheibe reflektiert wird. Empfängerdioden (Fotodioden) empfangen das reflektierte Licht.

Ist die Scheibenoberfläche trocken, wird das Infrarotlicht nahezu mit voller Intensität an die Empfängerdiode reflektiert. Man spricht hier von einer Totalreflexion. Bei Regen wird der Lichtstrahl jedoch von den Wassertropfen abgelenkt und dadurch nur noch zum Teil reflektiert. Die Signaldifferenz gibt der Steuerelektronik Auskunft über die Stärke des Regens und diese kann dann die Geschwindigkeit bzw. die Intervallzeit des Wischvorganges dementsprechend regeln.

Kameras

Kamerasysteme kommen im Fahrzeug sehr vielfältig zum Einsatz:

  • Front-Kamera: Mono (1 Linse) und Stereo (2 Linsen)
  • Rückfahrkamera
  • 360° und Toter-Winkel-Erkennung (Seitenspiegel)
  • Nachtfahr- und Infrarotkameras

Kamerasysteme können in Kombination mit anderen Sensoren stark zur Sicherheit beitragen.
Der Nachteil der Kamerasysteme liegt darin, dass sie keine Abstände messen können.
Kameras erfassen ihre Umgebung in zwei dimensionalen Bildern.

Luftgüte-Sensoren

Luftgüte-Sensoren für den Innen- und Außenbereich werden für den Automobilbau immer wichtiger. Da sich die Entwicklung eindeutig in Richtung Elektro-Mobilität hinbewegt, ist der Faktor Energieverbrauch ein großes Thema. Für die Heizung oder Kühlung des Fahrgastraumes wird dafür ein beträchtlicher Teil der Batterie-Kapazität eingesetzt. Wenn man aber dafür sorgt, dass die Luft in der Fahrgastzelle solange wie möglich zirkulieren kann und nur bei Verschlechterung der Luftqualität, frische Luft zugeführt wird, reduziert das bedeutend den Energiebedarf. Die Messung selber wird mit einem optischen Sensor durchgeführt, der die Schmutzpartikel erkennt und auswertet.

Induktive / magnetische Sensoren

Induktive, bzw. magnetische Sensoren finden ihre Hauptanwendung in der Positions- und Lageermittlung. Von der Geschwindigkeitsmessung der Achsen (ABS), über die Motor-Drehzahl, bis hin zur drei dimensionalen Lagebestimmung eines Fahrzeuges (Überschlagssensor) sind diese Bauteile im Einsatz.
Häufig werden hier sogenannte Hall-Sensoren verwendet.

Kapazitive Sensoren

Der Einsatz von kapazitiven Sensoren ist vielseitig. Beschleunigungssensoren sind typische Anwendungen im Auto. Vibrationen und beschleunigte Bewegungen im Fahrzeug können so gemessen werden. Das findet u.a. im Airbag Crash Sensor seine Verwendung. Einen weiteren Vertreter der kapazitiven Sensoren kennt man besser unter dem Namen „Kick-Sensor“. Dieser sorgt dafür dass sich der Kofferraum öffnet oder schließt, wenn man mit dem Fuß unter der hinteren Stoßstange „kickt“.

Ultraschall-Sensoren

Ultraschall, oder auch Sonar (Sound Navigation And Ranging) wird zum Messen von Abständen zu Objekten im kürzeren Abstandbereich (15 cm bis max. 5,5 m) eingesetzt. Seine Hauptanwendung ist bei der Einparkhilfe zu finden. Gepulste Ultraschall Signale werden ausgestrahlt, am Objekt reflektiert und die Laufzeit gemessen. Über die Laufzeit kann nun der Abstand zum Objekt berechnet werden.

Radar Sensoren

Auch hier wird ein gepulstes Signal ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des reflektierten Signales gemessen. Abstandsmessungen über 160 m sind hier möglich.

Radar Sensoren waren bei Premium Fahrzeugen seit längerer Zeit in Verwendung, finden aber nun vermehrt ihren Weg auch in die Mittelklasse. Eine typische Anwendung für Radar Sensoren ist der adaptive Abstands Tempomat. Hier wird mit dem Radar Sensor permanent der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug ermittelt. Somit kann vom System ein konstanter Sicherheitsabstand automatisch eingehalten werden.
(Siehe auch Glossareintrag Radar)

Druck Sensoren

Druck Sensoren arbeiten in der Regel nach dem Differenzdruck Prinzip.
Zwei Kammern werden hermetisch durch eine dünne Membrane voneinander isoliert.
Bei einem Druckunterschied verformt sich die Membrane. Diese Verformung wird mittels Messbrücken in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt.

Typische Anwendungen für Drucksensoren sind:

  • Druck in Abgasrückführungs-Systemen messen
  • Leckagen Erkennung in Kraftstoff Systemen
  • Kabinendruck
  • Insassen Erkennung
  • etc.

Temperatur Sensoren

Typischerweise werden automobile Temperatursensoren mit Heißleiter Widerständen (NTC) realisiert.
Diese Widerstände ändern in Abhängigkeit der Temperatur ihren Widerstandswert.
Der Strom wird umso besser geleitet, je höher die Temperatur ist, d. h. der Widerstand nimmt mit der Temperatur ab.

Typische Anwendungen sind:

  • Motor Temperatur Überwachung
  • Abgas Temperatur Überwachung
  • Klimaanlage
  • Batterie Temperatur Überwachung
  • etc.

Feuchte Sensoren

Aus den kombinierten Daten, die ein Feuchte- und ein Temperatursensor (z. B. im Fuß des Innenspiegels) liefern, errechnet das Klimasteuergerät die Taupunkttemperatur der Luft, also jene Temperatur, bei der die Luftfeuchtigkeit kondensieren und zum Beschlag der Scheibe führen würde.
So kann genau dieser Beschlag vermieden und für freie Sicht des Fahrers gesorgt werden. Oft werden aufgrund der Anwendung, ein Temperatur- und ein Feuchtesensor, in einem einzelnen Chip kombiniert.

Strom Sensoren

Die Strommessung gewinnt aufgrund der E-Mobilität massiv an Bedeutung.Realisieren lässt sie sich über Shunts (niederohmige Messwiderstände) oder Magnetfeldsensoren. Die Messung muss bidirektional erfolgen, da sie sowohl den motorischen als auch den generatorischen Betrieb (Rekuperieren) bei   elektrischen Antrieben, sowie das externe Laden, messtechnisch erfassen und abdecken muss. Mit Hilfe von Strom Sensoren kann u. a. der Verbrauch und somit die Restreichweite eines E-Fahrzeuges gemessen werden. Beim Laden der Batterie verhindert die Strommessung ein Überladen und sorgt für ein langes Leben der Batterie.

Fazit

Ohne Sensoren wäre der Betrieb eines modernen Fahrzeuges nicht möglich. In jedem Auto befindet sich eine Hundertschaft dieser Messgeräte. Aufgrund der Umstellung auf elektrische Antriebe, wird sich aber auch die Art der Sensoren im Fahrzeug wandeln. Während jene für den klassischen Motor (z. B. Abgasrückführung) stetig an Bedeutung verlieren, sind u. a. Sensoren wie jene zur Strom- oder Luftgütemessung stark im Vormarsch. Wesentlich zunehmen werden auch alle Sensoren, die zur Realisierung von ADAS und AD benötigt werden, wie LiDAR, Radar und Kameras.

Christoph Zauner

Christoph Zauner ist Manager im Technical Product Management bei MD. Sein Fokus liegt im Bereich C-KLIC Produkte, Automotive PCB-Steckverbinder und Elektronik-Komponenten. Seine langjährige Berufserfahrung in der Elektronik-Entwicklung zeichnen ihn für diesen Tätigkeitsbereich aus. Was ihn am meisten an seinem Job reizt: „Neue Produkte von Anfang an mitgestalten zu können ist ein besonderes Privileg. Der enge Kundenkontakt, die gemeinsame Arbeit in einem internationalen Team und die daraus resultierenden interkulturellen Erfahrungen machen die Aufgaben besonders interessant.