Physik im Auto: · PDF filejedem Sensor das zugehörige System im Auto erläutert und...

JOHANNES-GUTENBERG-UNIVERSITÄT MAINZ, INSTITUT FÜR

PHYSIK

Physik im Auto: Sensoren

Wissenschaftliche Prüfungsarbeit im Rahmen der

Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien

eingereicht von

Nadine Sprick

im Dezember 2004

Gutachter:

PD Dr. T. Trefzger

Prof. Dr. L. Köpke

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung ...................................................................................................................................4

Kapitel 1: Physikalische Grundlagen .........................................................................................6

1.1 Mechanische Wellen.........................................................................................................6

1.1.1 Wellen........................................................................................................................6

1.1.2 Reflexion von Wellen................................................................................................7

1.1.3 Interferenz von Wellen ..............................................................................................9

1.1.4 Stehende Wellen ......................................................................................................10

1.2 Akustik ...........................................................................................................................12

1.2.1 Schall .......................................................................................................................12

1.2.2 Ultraschall................................................................................................................13

1.2.3 Anwendungen des Ultraschalls ...............................................................................14

1.3 Optik ...............................................................................................................................16

1.3.1 Reflexion von Licht .................................................................................................16

1.3.2 Brechung..................................................................................................................16

1.3.3 Totalreflexion ..........................................................................................................18

1.4 Festkörperphysik ............................................................................................................21

1.4.1 Der piezoelektrische Effekt (PE).............................................................................21

1.4.1.1 Geschichtliches zum piezoelektrischen Effekt .................................................21

1.4.1.2 Der direkte piezoelektrische Effekt ..................................................................22

1.4.1.3 Der reziproke piezoelektrische Effekt ..............................................................25

1.4.1.4 Der piezoresistive Effekt ..................................................................................26

1.4.1.5 Heutige Bedeutung und Anwendungsgebiete des piezoelektrischen Effekts...26

1.4.1.6 Der piezoelektrische Effekt im Physikunterricht .............................................27

1.4.2 Halbleiterdiode und Fotodiode ................................................................................28

1.4.2.1 Halbleiterdiode .................................................................................................28

1.4.2.2 Fotodiode ..........................................................................................................29

1.5 Das elektrische Feld........................................................................................................31

1.5.1 Der Plattenkondensator............................................................................................31

Kapitel 2: Sensoren...................................................................................................................33

2.1 Grundlagen von Sensoren...............................................................................................33

2.2 Sensoren im Kraftfahrzeug.............................................................................................38

2.2.1 Hauptanforderungen und Trends von Sensoren im Auto ........................................39

2.3 Ultraschallsensor ............................................................................................................41


2.3.1 Anwendung der Ultraschallsensoren .......................................................................41

2.3.2 Aufbau der Ultraschallsensoren...............................................................................41

2.3.3 Arbeitsweise der Ultraschallsensoren......................................................................42

2.3.4 Einparkhilfe mit Ultraschallsensoren ......................................................................43

2.4 Regensensor....................................................................................................................49

2.4.1 Anwendung des Regensensors ................................................................................49

2.4.2 Funktionsweise des Regensensors...........................................................................50

2.4.3 Weitere Arten von Regensensoren ..........................................................................54

2.5 Beschleunigungssensor /Airbagsensor ...........................................................................56

2.5.1 Messgrößen und Messprinzipien von Beschleunigungssensoren............................56

2.5.2 Piezoelektrischer Beschleunigungssensor ...............................................................57

2.5.3 Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor .......................................60

2.5.4 Piezoresistiver Beschleunigungssensor ...................................................................63

2.5.5 Mechanischer Beschleunigungssensor ....................................................................64

2.5.6 Das Airbagsystem....................................................................................................65

2.5.6.1 Funktionsweise des Airbagsystems ..................................................................66

Kapitel 3: ..................................................................................................................................73

Experimente zu „Physik im Auto: Sensoren“...........................................................................73

3.1 Experimente für die Schule ............................................................................................73

3.2 Experiment Ultraschallsensor.........................................................................................74

3.2.1 Aufbau des Ultraschallsensors.................................................................................74

3.2.1.1 Materialien........................................................................................................74

3.2.1.2 Bauanleitung des Ultraschallsensors ................................................................75

3.2.1.3 Funktionsweise des Ultraschallsensors ............................................................77

3.2.1.4 Versuchsvorbereitung.......................................................................................80

3.2.1.5 Versuchsdurchführung......................................................................................81

3.2.1.6 Versuchsergebnis..............................................................................................85

3.2.1.7 Didaktische Bemerkungen zu diesem Versuch und Vergleich mit dem

Lehrplan........................................................................................................................86

3.2.1.8 Weiterer Experimentiervorschlag.....................................................................89

3.3.1 Aufbau des Regensensors........................................................................................91

3.3.1.1 Materialien........................................................................................................92

3.3.1.2 Versuchsvorbereitung.......................................................................................93

3.3.1.3 Versuchsdurchführung......................................................................................94


3.3.1.4 Ergebnis des Versuchs......................................................................................99


Lehrplan......................................................................................................................100

3.4 Experiment Airbagsensor .............................................................................................102

3.4.1 Aufbau des Airbagsensors .....................................................................................102

3.4.1.1 Materialien......................................................................................................102

3.4.1.2 Versuchsvorbereitung.....................................................................................104

3.4.1.3 Versuchsdurchführung....................................................................................104

3.4.1.4 Ergebnis des Versuchs....................................................................................107


Lehrplan......................................................................................................................108

3.4.1.6 Weiterer Experimentiervorschlag...................................................................109

3.5 Allgemeine didaktische Bemerkungen zu den Experimenten......................................111

Zusammenfassung ..................................................................................................................112

Kapitel 4: Anhang...................................................................................................................114

4.1 Schülerpraktikum „Physik im Auto: Sensoren“ ...........................................................114

4.2 Der Bewegungssensor ..................................................................................................116

4.2.1 Einsatz des Bewegungssensors auf dem Wissenschaftsmarkt ..............................118

4.3 Arbeitsblätter ................................................................................................................119

4.4 Lehrplan........................................................................................................................160

4.5 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................164

4.6 Literaturverzeichnis ......................................................................................................167

Dankeschön ............................................................................................................................170

Erklärung ................................................................................................................................171

Impressum ..............................................................................................................................172

Einleitung 4

Einleitung

Sensoren findet man heutzutage in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens: sei es als

Bewegungssensor und Helligkeitssensor am eigenen Haus, als Temperatursensor in der

Wasch-, Spül- und Kaffeemaschine, als CCD-Sensor in der Digitalkamera oder als

Drehratesensor (ESP) im Kraftfahrzeug, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Sensoren

sind in der gegenwärtigen Zeit notwendig und unverzichtbar geworden und vor allem in der

Verkehrstechnik und Haushaltstechnik nicht mehr wegzudenken; sie werden in Zukunft

immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Diese Staatsexamensarbeit beschäftigt sich mit den Sensoren im Auto, insbesondere dem

Ultraschallsensor, dem Regensensor und dem Beschleunigungssensor oder auch Airbagsensor

genannt. Durch den hohen Alltagsbezug und die Neuartigkeit des Themas soll das Interesse

der Schüler und Schülerinnen im Physikunterricht geweckt werden. Die Jugendlichen sollen

lernen alltägliche Dinge mit denen sie täglich vertraut sind zu durchleuchten und diese zu

verstehen. Der nahe Bezug zwischen Alltag und Physikunterricht ist für die Schüler und

Schülerinnen zusätzlich motivierend. Das Themengebiet Automobil oder kurz Auto stand und

steht schon immer ganz oben im Interesse der Schüler und Schülerinnen. Als

Gebrauchsgegenstand (Personen- und Materialbeförderung) oder als Luxusgut, das Auto übt

besondere Faszination auf Jugendliche aus. Sei es über Geschwindigkeit, Hubraum,

Beschleunigung, PS etc., das Auto ist schon relativ früh im Gespräch. Hier setzt die Schule

mit dem Physikunterricht ideal an und weckt mit dem Themenkomplex „Physik im Auto:

Sensoren“ bei den Schülern und Schülerinnen reges Interesse und großes Engagement. Auch

durch den Sicherheitsaspekt - Airbag - fühlen sich alle angesprochen und sind interessiert.

Ziel dieser Examensarbeit ist es Sensoren im Auto - insbesondere den Ultraschallsensor, den

Regensensor und den Airbagsensor - mit einfachsten und kostengünstigsten Mitteln

aufzubauen und für Schüler und Schülerinnen verständlich zu machen. In dieser Arbeit soll

zunächst auf die physikalischen Hintergründe der einzelnen Experimente eingegangen

werden. Das darauffolgende Kapitel beschäftigt sich mit den Grundlagen von Sensoren und

deren Realisierung am Auto. Da ein Sensor allein noch nichts bewirken kann, ist zusätzlich zu

jedem Sensor das zugehörige System im Auto erläutert und erklärt. Im letzten Kapitel findet

man die Experimente für die Schule, die zum Teil auf einer Idee aus dem Buch von B. Eckert,

W. Stetzenbach, H.-J. Jodl [42] basieren und für den Einsatz in der Schule optimiert wurden.

Diese Examensarbeit soll nicht nur als Handreichung für Lehrer und Lehrerinnen dienen,

sondern auch Ideen, Impulse und Anregungen für den Physikunterricht geben und es den

Einleitung 5

Schülern und Schülerinnen ermöglichen alltägliche Dinge durch anschauliche Experimente

erfassbar zu machen. Sensoren sind eigentlich recht kompliziert aufgebaut, doch in den

folgenden Experimenten dieser Examensarbeit soll gezeigt werden, dass diese relativ einfach

zu handhaben sind.

Entwickelt wurden im Wesentlichen drei Experimente, – „Der Ultraschallsensor“, „Der

Regensensor“ und „Der Airbagsensor“ – die detailliert in dieser Arbeit beschrieben werden.

Diese wurden bereits im Rahmen von Schülerpraktika an der Johannes-Gutenberg-Universität

in Mainz mehrfach durchgeführt. Vorgestellt wurde diese Versuchsreihe außerdem bei einer

Posterausstellung des Instituts für Physik der Universität Mainz am „Institutsfest 2004“.

Physikalische Grundlagen 6

Kapitel 1: Physikalische Grundlagen

In dem ersten Kapitel dieser Arbeit werden die physikalischen Grundlagen zu den drei

Schülerexperimenten Ultraschallsensor, Regensensor und Beschleunigungssensor bzw.

Airbagsensor erläutert. Zu Beginn werden die Grundlagen mechanischer Wellen beschrieben,

um in den darauffolgenden Kapiteln 1.1.2 - 1.1.4 und im Kapitel 1.3 darauf aufbauen zu

können. Die Kapitel Wellen (1.1) und Akustik (1.2) dienen als Basis bei dem

Schülerexperiment zum Ultraschallsensor. In dem Kapitel Optik (1.3) werden physikalische

Grundlagen wie Reflexion, Brechung und Totalreflexion, die für den Regensensor

entscheidend sind, erläutert. Die letzten drei Abschnitte 1.4, 1.5 und 1.6 sind Ausgangspunkt

für die unterschiedlichen Arbeitsweisen des Airbagsensors und für das Schülerexperiment

zum Airbagsensor; Kapitel 1.5 beinhaltet außerdem noch die Erzeugung von Ultraschall, die

beim Ultraschallsensor relevant ist und beschreibt die Funktionsweise der Fotodiode, die beim

Regensensor benutzt wird.

1.1 Mechanische Wellen

1.1.1 Wellen

Wellen treten überall in unserem alltäglichen Leben auf, beispielsweise Wasserwellen und

Schallwellen. Ein Seil kann eine Welle beschreiben. Wellen können sich überall dort

ausbreiten, wo ein System gekoppelter schwingungsfähiger Teilchen vorhanden ist, wie

beispielsweise in der Luft oder im Wasser. Wenn nun ein solches System schwingungsfähiger

Teilchen gestört wird, z.B. ein Boot über einen See fährt oder ein Stein ins Wasser fällt,

kommt eine Welle zustande. Die nachfolgenden Überlegungen im Kapitel 1.1 lehnen sich an

das Buch von J. Grehn [1] an.

Eine Welle beschreibt gleichzeitig einen zeitlichen und räumlichen periodischen Vorgang.

Die räumliche Periode wird durch die Wellenlänge λ – der kürzeste Abstand zweier Teilchen

(Oszillatoren) die in gleicher Phase schwingen – beschrieben; die Schwingungsdauer T ist die

zeitliche Periode.

Die Geschwindigkeit mit der sich die Schwingungszustände gleicher Phase bewegen wird als

Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle bezeichnet; die Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer

Welle berechnet sich mit: fc ⋅= λ (λ = Wellenlänge, f = Frequenz).

Die Wellengleichung lautet: )(2sinˆ),(λ

πx

T

tytxy −⋅= . (1.1)


Die Wellengleichung (x = Ort, t = Zeit, y = Maximalamplitude) lässt sich folgendermaßen

herleiten (vgl. Abbildung 1): Angenommen man hätte eine lange Kette, die aus ganz vielen

gekoppelten Oszillatoren besteht. Nun wird der erste Oszillator der Kette ausgelenkt und

beginnt zu schwingen. Diese Schwingung am Anfang der Kette setze zum Zeitpunkt t = 0 und

bei x = 0 ein (x gibt den Ort auf der Kette an), der Oszillator bewegt sich also mit der

Schwingungsgleichung tyty ωsinˆ),0( ⋅= . Die Schwingung breitet sich nun mit der

Geschwindigkeit c, wobei fc ⋅= λ gilt, aus. Ein Oszillator, der sich in einer Entfernung x1

vom Anfang der Kette im Punkt x1 befindet, beginnt erst nach der Zeit t1 zu schwingen. Für

diesen Punkt x1 gilt: )(sinˆ),( 11 ttytxy −⋅= ω .Wenn man jetzt für λ

Tx

c

xt

⋅== 11

1 und für

x1 = x einsetzt, erhält man die Wellengleichung (Gleichung 1.1).

Abbildung 1 Skizze zur Herleitung der Wellengleichung [1].

1.1.2 Reflexion von Wellen

Grundlegendes Prinzip der Einparkhilfe ist die Benutzung mehrerer Ultraschallsensoren unter

Ausnutzung der Reflexion der Ultraschallwellen an einem Hindernis. Dieses Kapitel 1.1.2

geht allgemein auf die Reflexion von Wellen an Hindernissen ein.

Wenn Wasserwellen schräg gegen ein gerades Hindernis laufen, dann kann man beobachten,

dass die ankommenden Wellenfronten mit dem Hindernis denselben Winkel einschließen, wie

die reflektierten Wellenfronten. Bei der Reflexion von Wellen gilt also: der Einfallswinkel α


ist gleich dem Reflexionswinkel β. Dies soll nun mittels des Huygensschen Prinzips bewiesen

werden.

Das Huygenssche Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt von

einer Elementarwelle angesehen werden kann. Diese Elementarwellen breiten sich mit der

gleichen Geschwindigkeit und der gleichen Wellenlänge wie die ursprüngliche Welle aus. Die

Einhüllende aller Elementarwellen, die durch Interferenz entsteht, stellt die neue Wellenfront

dar.

Abbildung 2 Skizze zur Herleitung des Reflexionsgesetzes [1].

In der Abbildung 2 ist die einfallende Wellenfront AB und die reflektierte Wellenfront A2B2

abgebildet. Die einfallende Welle, von links kommend, trifft die Grenzfläche bzw. das

Hindernis im Punkt A1. Der Punkt B der ankommenden Wellenfront läuft nun weiter auf das

ebene Hindernis zu. In der Zeit ∆t durchläuft der Punkt B die Strecke tcBB ∆⋅=21 ; an der

Stelle B2 erreicht dieser auch die ebene Grenzfläche bzw. das Hindernis. In der gleichen Zeit

∆t breitet sich um den Punkt A1 eine Elementarwelle aus, diese besitzt den Radius tcr ∆⋅= .

Der Radius r der Elementarwelle ist hier gleich der Strecke 21BB . Nun konstruiert man über

21BA den Thaleskreis, indem man zunächst mit Hilfe des Zirkels die Hälfte der Strecke

21BA bestimmt. Mit dem Radius 2

21BA kann dann der Thaleskreis über 21BA errichtet

werden. Nun legt man an den Kreis um A1 mit Radius r eine Tangente vom Punkt B2 aus an.

Dann ergibt die Strecke 22 BA auf dieser Tangente, die den Thaleskreis im Punkt A2 schneidet,

die Einhüllende der von A1 und B2 ausgehenden Elementarwellen. Also ist die reflektierte

Welle bzw. die reflektierte Wellenfront A2B2.

In dem Dreieck A1B1B2 findet man den Einfallswinkel α und im Dreieck A1A2B2 den

Reflexionswinkel β. Auf Grund der geometrischen Verhältnisse im Thaleskreis folgt, dass der

Einfallswinkel α gleich dem Reflexionswinkel β ist. Es gilt das Reflexionsgesetz:

βα = . (1.2)


1.1.3 Interferenz von Wellen

Das Schülerexperiment „Der Ultraschallsensor“ basiert neben der Reflexion von Ultraschall-

wellen im Wesentlichen auf der Interferenz von Wellen (Kapitel 1.1.3) und auf dem Prinzip

der stehenden Welle, die in Kapitel 1.1.4 beschrieben wird.

Um den Begriff „Interferenz von Wellen“ und die damit verbundene Unterscheidung in

konstruktive und destruktive Interferenz näher erläutern zu können, soll zunächst auf die

allgemeine Definition von Interferenz und Gangunterschied eingegangen werden.

Abbildung 3 Gangunterschied zweier Wellen.

Unter Interferenz versteht man die ungestörte Überlagerung mehrerer Wellen von gleicher

Frequenz - also gleicher Wellenlänge - am selben Ort mit fester Phasenbeziehung.

Unter dem Gangunterschied zweier Wellen an einer bestimmten Stelle versteht man die

Strecke ∆s, um die man eine der beiden Wellen verschieben müsste, damit beide Wellen an

dieser Stelle in gleicher Phase schwingen (siehe Abbildung 3).

Man spricht von konstruktiver Interferenz zweier Wellen, wenn zwei Wellen sich gegenseitig

verstärken (siehe Abbildung 4). Beim Gangunterschied von ∆s = 0 tritt eine Verstärkung auf.

Konstruktive Interferenz (Maximale Verstärkung) erhält man bei einem Gangunterschied von

(n = 0,1,2,...): λ⋅=∆ ns . (1.3)

Dies entspricht einer Phasendifferenz von (n = 0,1,2,...): πϕ n2=∆ . (1.4)

Konstruktive Interferenz tritt also bei einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge auf.

Man spricht von destruktiver Interferenz zweier Wellen, wenn diese sich abschwächen (siehe

Abbildung 4). Beim Gangunterschied von λ/2 löschen sich zwei Wellen ganz aus, wenn ihre

Amplituden gleich groß sind. Destruktive Interferenz (Maximale Abschwächung) erhält man

bei einem Gangunterschied von (n = 0,1,2,...):


2

)12(λ

⋅+=∆ ns . (1.5)

Dies entspricht einer Phasendifferenz von (n = 0,1,2,...): πϕ )12( +=∆ n . (1.6)

Destruktive Interferenz tritt also bei einem ungeradzahligen Vielfachen der halben

Wellenlänge auf.

Abbildung 4 Konstruktive (linkes Bild) und destruktive Interferenz (rechtes Bild) zweier Wellen.

1.1.4 Stehende Wellen

Wenn zwei Wellen gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung durch das gleiche Medium

laufen, überlagern sie sich zu einer stehenden Welle, wenn beide gleiche Amplitude,

Frequenz, Schwingungsebene und Wellenlänge haben. Am häufigsten kommt es zu stehenden

Wellen, wenn die Welle nach einer Reflexion mit sich selbst zur Überlagerung kommt. Die

Überlagerung der beiden Wellen entsteht durch das Zusammentreffen der einlaufenden Welle

und der reflektierten Welle. Stehende Wellen können bei der Reflexion an dünnen Medien

und bei der Reflexion an dichten Medien auftreten. Die Stellen der Welle an denen die

Amplitude immer null ergibt werden mit Schwingungsknoten bezeichnet, an diesen Stellen

bleiben die Oszillatoren immer in Ruhe. Als Schwingungsbäuche werden die Stellen

bezeichnet an denen die Oszillatoren mit maximaler Amplitude schwingen. In der stehenden

Welle wird Energie gespeichert, anders als bei einer fortschreitenden Welle bei der die

Abbildung 5 Stehende Welle auf einem Seil [1].


Energie weiter transportiert wird. Aufgrund der Dämpfung muss jedoch andauernd Energie

nachgeliefert werden um die stehende Welle aufrecht zu erhalten (siehe Abbildung 5) [2]. Um

die Gleichung der stehenden Welle zu erhalten benutzt man die Wellengleichung (siehe

Gleichung 1.1). Zwei gegenläufige Wellen gleicher Kreisfrequenz ω (T

fπ

πω2

2 == ) und

gleicher Amplitude y überlagern sich. Es gilt (x = Ort, λ = Wellenlänge, t = Zeit):

)(2sinˆ)(2sinˆ),(λ

πλ

πx

T

ty

x

T

tytxy ++−= . (1.7)

Benutzt man nun das Additionstheorem für die Sinus-Funktion, nämlich

2cos

2sin2sinsin

βαβαβα

−+=+ so erhält man:

T

txy

x

T

tytxy λ

λπ

λππ 2sin2cosˆ2)(2cos)(2sinˆ2),( =−= . (1.8)

Die Gleichung der stehenden Welle lautet daher:

txytxy ωsin)(ˆ),( 0= mit λ

πx

yxy 2cosˆ2)(ˆ0 = . (1.9)

Es ist auffällig, dass die Gleichung der stehenden Welle in ein Produkt zweier Faktoren

zerfällt. Der eine Faktor - nämlich ωsin t - ist nur von der Zeit abhängig und der andere Faktor

- λ

πx

2cos - nur vom Ort. Die Schwingungsknoten wiederholen sich im Abstand von λ/2, in

den Schwingungsknoten ist die Amplitude gleich null (siehe Abbildung 6). Die

Schwingungsbäuche erreichen eine maximale Amplitude von yxy Bauchˆ2)(ˆ0 = . Auch bei einer

stehenden Welle gilt: fc ⋅= λ . (1.10)

Abbildung 6 Stehende Welle.


1.2 Akustik

In diesem Kapitel stehen die Ausbreitung von Schall (Kapitel 1.2.1), der Ultraschall und

dessen Erzeugung (Kapitel 1.2.2) und einige ausgewählte Anwendungen von Ultraschall im

alltäglichen Leben im Vordergrund (Kapitel 1.2.3). Hier wird unter anderem ein Beispiel aus

der Tierwelt, nämlich das Puls-Echo-Prinzip der Fledermäuse bei der Jagd von Beutetieren,

dass vergleichbar mit dem Grundprinzip der Ultraschallsensoren in der Einparkhilfe ist,

beschrieben.

1.2.1 Schall

Den Schall an sich kann man anhand seiner Frequenz in vier grobe Bereiche einteilen. Bei

Frequenzen unter 20 Hz spricht man von Infraschall. Die Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz

fallen unter den hörbaren Schall, diese Frequenzen kann das menschliche Ohr hören.

Frequenzen die oberhalb von 20 kHz liegen, werden als Ultraschall bezeichnet und bei

Frequenzen über 10 MHz spricht man von Hyperschall. Die Beschreibungen in diesem

Kapitel 1.2 folgen hauptsächlich [8].

Schall kann sich in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern ausbreiten. Im luftleeren Raum

breitet sich der Schall nicht aus. Eine Schallquelle erzeugt Schwingungen, diese Schallquelle

bewirkt dann in der Luft und in elastischen Körpern eine Schallwelle, d.h. die von der

Schallwelle erfassten Teilchen führen alle die gleiche Schwingung aus. Je weiter weg die

Teilchen von der Schallquelle sind, desto später fangen sie an zu schwingen.

Stoff Schallgeschwindigkeit

Blei 1200 m/s

Kupfer 3900 m/s

Holz 5500 m/s

Eisen 5800 m/s

Salzwasser 1520 m/s

Sauerstoff 322 m/s

Luft 340 m/s

Tabelle 1 Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen bei Zimmertemperatur (20°C) [3].


Der Schall breitet sich in unterschiedlichen Stoffen bzw. Materialien unterschiedlich schnell

aus (siehe Tabelle 1). Erzeuger von Schallwellen sind beispielsweise Stimmgabeln,

schwingende Saiten und Membranen. In Lautsprechern dienen die Membranen als Erzeuger

von Schallwellen. Anhand der Beispiele merkt man das Schallwellen sowohl durch freie

Schwingungen als auch durch erzwungene Schwingungen fester Körper erzeugt werden

können. Die Körper, wie beispielsweise der Lautsprecher, geben dann ihre Schwingungs-

energie an ihre Umgebung ab.

1.2.2 Ultraschall

Mit Ultraschall bezeichnet man den Schall der oberhalb der Hörgrenze des Menschen liegt;

das Wort „ultra“ kommt aus dem lateinischen und bedeutet „jenseits“ (jenseits des hörbaren

Schalls); von Ultraschall spricht man bei Frequenzen im Bereich zwischen 20 kHz und 10

MHz [3,4]. Während der Mensch nur Töne im Frequenzbereich bis 20 kHz hört, ist

beispielsweise der Hund in der Lage weit aus höhere Frequenzen bis ca. 40 kHz

wahrzunehmen (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7 Hörbereich und Stimmumfang von Mensch und Tieren [3].

Ultraschallwellen werden durch elektro-akustische Wandler erzeugt, welchen der

piezoelektrische Effekt (siehe Kapitel 1.4.1) zu Grunde liegt. Die Wandler transformieren

elektrische Wechselspannungen in mechanische Schwingungen um. Grundlagen eines solchen

elektro-akustischen Wandlers sind beispielsweise Piezoscheiben aus Quarz, Bariumtitanat

oder Piezokeramiken (BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3). Wenn man an diese Piezoscheiben an


beiden Seiten ein elektrisches Wechselfeld anlegt, ändert sich die Dicke der Piezoscheibe

wodurch ein schwingendes System entsteht. Es ist möglich einzelne Piezoscheiben als

elektro-akustische Wandler zu verwenden oder aber Multielement-Schallwandler, die aus bis

zu 150 Einzelelementen bestehen können.

Im Resonanzfall der Piezoscheibe wird die mechanische Schwingungsamplitude maximal,

eine stehende Ultraschallwelle kann sich nun ausbreiten. An der Endfläche der Piezoscheibe

liegt ein Schwingungsbauch.

1.2.3 Anwendungen des Ultraschalls

In diesem Abschnitt soll kurz auf Anwendungen des Ultraschalls hingewiesen werden, die aus

dem alltäglichen Leben und der Natur bekannt sind. Da es heutzutage zahlreiche

Anwendungen und Verwendungen von Ultraschall gibt, soll hier nur auf vier von ihnen,

nämlich das Echolot, die Ultraschalldiagnostik, die Ultraschall-Echoortung der Fledermäuse

und schließlich auf die Einparkhilfe am Auto, die mittels Ultraschall funktioniert (siehe

Kapitel 2.3), eingegangen werden.

Das erste Anwendungsbeispiel von Ultraschall beschreibt das Echolot [3]. Wenn Schall auf

einen Körper bzw. einen Gegenstand trifft, dann wird der Schall an diesem reflektiert. Man

spricht von einem Echo, wenn der Schall wieder zu seinem Ausgangspunkt zurückkehrt.

Durch die Zeit, die der Schall vom Ausgangspunkt zum Gegenstand und zurück braucht,

berechnet man die Entfernung des Gegenstandes.

Abbildung 8 Tiefenmessung mit dem Echolot [3].

Das Echolot wird in der Schifffahrt eingesetzt um Tiefenmessungen durchzuführen oder

Fischschwärme zu orten. Das Schiff sendet Ultraschallsignale aus und misst die Laufzeit

zwischen Schallsender und Schallempfänger (siehe Abbildung 8).

Das zweite Anwendungsbeispiel von Ultraschall kommt aus der Medizin, genauer gesagt aus

dem Bereich der Ultraschalldiagnostik, da Ultraschall für den Körper nicht schädlich ist.


Unter anderem wird in der Gynäkologie Ultraschall verwendet um die Entwicklung von

Embryos zu kontrollieren (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9 Ultraschallbild von Zwillingen [5].

Das dritte Beispiel kommt aus der Natur, die Ultraschall-Echoortung, die von Fledermäusen

benutzt wird [6]. Fledermäuse jagen nachts und sind durch die Ultraschall-Echoortung

perfekte Jäger. In Verbindung mit den ausgestoßenen Ultraschallortungsrufen sind die Ohren

ihre wichtigsten Sinnesorgane (siehe Abbildung 10).

Abbildung 10 Fledermäuse [7].

Die Ultraschallrufe der Fledermaus werden von der Umgebung oder an den Beutetieren

reflektiert. Das entstehende Echo wird von den großen Ohrentrichtern der Fledermaus

eingefangen. Die Technik der Ultraschall-Echoortung ist bei diesen Flugtieren so perfekt, dass

ihre Hörbilder mit unserem farbigen Sehen vergleichbar sind.

Eine genaue Darstellung der Ultraschallsensoren in der Einparkhilfe im Auto findet in Kapitel

2.3 statt.


1.3 Optik

Dieses Kapitel soll die Funktionsweise des Regensensors - der auf dem Prinzip der

Totalreflexion beruht - erklärend unterstützen.

1.3.1 Reflexion von Licht

Trifft ein Lichtstrahl an der Grenze des Mediums auf ein anderes Medium (siehe Abbildung

11), so tritt eine völlige oder teilweise Zurückwerfung - auch Reflexion genannt - des

Lichtstrahls auf [1].

Abbildung 11 Reflexion einer Welle.

Der Winkel α beschreibt den Einfallswinkel, das ist der Winkel zwischen dem einfallenden

Strahl und dem Lot. Der Winkel zwischen reflektiertem Strahl und dem Lot wird

Reflexionswinkel β genannt. Der einfallende Strahl und der reflektierte Strahl liegen in einer

Ebene und das Lot steht immer senkrecht auf der Grenzfläche. Wie schon bei der Reflexion

von Wellen (siehe Kapitel 1.1.2) gilt hier analog das Reflexionsgesetz, da bekannterweise

auch Licht Welleneigenschaften besitzt.

Reflexionsgesetz: βα = . (1.11)

1.3.2 Brechung

Dieses Kapitel lehnt sich an [1,9] an. Tritt ein Lichtstrahl an der Grenze des Mediums in ein

anderes Medium über, so ändert sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit auch die

Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in

einem dichteren Medium cm als Vakuum (Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum: c) gilt:

cn

cm ⋅=1

. (1.12)


n wird Brechungsindex genannt. Der Lichtstrahl wird beim Übergang in ein anderes Medium

gebrochen. Zusätzlich tritt neben dem gebrochenen Strahl beim Übergang von einem Medium

(z.B. Wasser) ins andere Medium (z.B. Luft) noch ein reflektierter Strahl auf (siehe

Abbildung 12).

Alle drei Strahlen (gebrochener Strahl, einfallender Strahl und reflektierter Strahl) und das

Lot liegen in einer Ebene; das Lot steht senkrecht auf der Grenzfläche.

Abbildung 12 Reflexion und Brechung eines Lichtstrahls.

Beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medium ins andere Medium unterscheidet man

zwei Begriffe, nämlich „optisch dichter“ und „optisch dünner“. Man spricht von einem

optisch dichteren Medium, wenn der Lichtstrahl mit dem Lot den kleineren Winkel bildet.

Wenn der Lichtstrahl mit dem Lot den größeren Winkel bildet, handelt es sich um das optisch

dünnere Medium (siehe Abbildung 13). Findet nun ein Übergang vom optisch dünneren

Medium zum optisch dichteren Medium statt, so wird der Strahl zum Lot hin gebrochen.

Umgekehrt gilt beim Übergang vom optisch dichteren Medium (z.B. Glas) zum optisch

dünneren Medium (z.B. Luft), dass der Strahl vom Lot weg gebrochen wird. Beispielsweise

ist warme Luft optisch dünner als kalte Luft und Diamanten sind optisch dicker als Glas. Das

Brechungsgesetz lautet:

2

1

sin

sin

c

c=

β

α. (1.13)


In dem Brechungsgesetz ist α der Einfallswinkel, β der Brechungswinkel und c1 (c2) die

Geschwindigkeit im Medium 1 (Geschwindigkeit im Medium 2). Wenn man nun für

cn

c ⋅=1

1

1 bzw. für c

nc ⋅=

2

2

1 einsetzt (nach Gleichung 1.12), wobei n1 (n2) der

Brechungsindex im Medium 1 (Brechungsindex im Medium 2) ist, folgt:

1

2

2

12

1 1

sin

sin

n

n

n

cn

c

c

c=⋅==

β

α . (1.14)

Absoluter Brechungsindex einiger Stoffe (mit dem Licht der Na-D-Linie bei 20°C, [1]):

- Luft (bei 0°C) : nL = 1,000292

- Eis (bei 0°C) : nE = 1 ,31

- Wasser (bei 20°C) : nW = 1,33

- Quarzglas : nQ = 1,46

- Plexiglas (bei 20°C) : nP = 1,50 – 1,52

- Diamant : nD = 2,42.

Abbildung 13 Brechung von Licht. Linkes Bild zeigt eine Skizze der Lichtbrechung und das rechte Bild das Licht einer Lampe, das an der Wasseroberfläche gebrochen wird [3].

1.3.3 Totalreflexion

Der Abschnitt über die Totalreflexion ist ähnlich wie in [1,2] beschrieben. Wenn Licht aus

einem optisch dichteren Medium (z.B. Wasser) in ein optisch dünneres Medium (z.B. Luft)

tritt, so wird der Lichtstrahl vom Einfallslot weg gebrochen.


Der Einfallswinkel α ist dann immer kleiner als der Brechungswinkel β, da das Lichtbündel

vom Lot weg gebrochen wird. Wenn der Einfallswinkel des Lichtstrahls α immer größer wird,

kann der Brechungswinkel β maximal 90° erreichen (vgl. Abbildung 14). Der Einfallswinkel

bei dem β = 90° wird nennt man α T (= α), den Winkel der Totalreflexion. Bei dem Übergang

von einem optisch dichteren Medium zu einem optisch dünneren Medium unter einem Winkel

α, der größer ist als der Winkel der Totalreflexion αT, wird das einfallende Licht vollständig

reflektiert.

1

2

1

2 sin90sin

sin

sin

sin

n

n

n

nT

T =⇒=°

= αα

β

α. (1.15)

Bei dem Übergang von einem beliebigen optischen Medium in das Medium Luft kann man

die Gleichung 1.15 folgendermaßen abkürzen:

nT

1sin =α . (1.16)

Der Winkel der Totalreflexion für den Übergang Wasser / Luft lässt sich also folgendermaßen

nach dem Brechungsgesetz berechnen:

°==⇒== 8,4833,1

1arcsin

33,1

11sin TT

nαα .

Der Winkel für die Totalreflexion für den Übergang Wasser / Luft beträgt 48,8°, ab diesem

Winkel werden die Lichtstrahlen komplett reflektiert.

Abbildung 14 Totalreflexion.

Die Abbildung 15 zeigt einen gefüllten Wasserbehälter, in dem sich eine Lichtquelle befindet

die mehrere Öffnungen (sechs) besitzt aus denen Licht austreten kann. Der erste Strahl tritt


senkrecht aus der Wasseroberfläche hinaus und wird nicht gebrochen. Die zweite

Lichtöffnung ist etwas weiter rechts angebracht, der Lichtstrahl aus dieser Öffnung wird am

Übergang zwischen Wasser und Luft gebrochen, ebenso verhält es sich beim dritten

Lichtstrahl. Der vierte Lichtstrahl wird an der Grenzfläche Wasser / Luft teilweise gebrochen

und zum Teil reflektiert. Beim fünften und sechsten Lichtstrahl treffen die Lichtstrahlen in

einem Winkel auf die Wasseroberfläche, der den Winkel der Totalreflexion Wasser / Luft

(48,8°) schon überschritten hat. Die Lichtstrahlen werden deshalb nicht mehr am Übergang

zwischen Wasser und Luft gebrochen, sondern vollständig reflektiert [3].

Abbildung 15 Reflexion, Brechung und Totalreflexion beim Übergang Wasser/ Luft [3].


1.4 Festkörperphysik

1.4.1 Der piezoelektrische Effekt (PE)

Der piezoelektrische Effekt dient zum einen als Fundament zweier Beschleunigungssensoren

(siehe Kapitel 2.5.2 und Kapitel 2.5.4), die im zweiten Kapitel dieser Arbeit vorgestellt

werden und zum anderen zur Erklärung des piezoelektrischen Effekts, der als entscheidender

Schlüsselpunkt im Schülerexperiment „Der Airbagsensor“ fungiert.

1.4.1.1 Geschichtliches zum piezoelektrischen Effekt

Im Jahre 1880 wurde die Piezoelektrizität von den beiden französischen Physikern und

Brüdern Pierre (* Paris 15.5.1859, † Paris 19.4.1906) und Jacques Curie (* Paris 1855, †

Montpellier 1941) an Turmalinkristallen entdeckt [15,16,17]. Gemeinsam haben sie das

elektrische Verhalten von Kristallen untersucht. Sie waren die Ersten die nachweisen konnten,

dass der durch eine Kraft ausgeübte Druck auf gegenüberliegende Kristallflächen eines

Kristalls ungleichnamige elektrische Oberflächenladungen hervorruft, die von der Größe der

jeweiligen ausgeübten Kraft abhängig sind.

Außerdem bestätigten die beiden Brüder die von G. Lippmann vorausgesagte Vermutung,

dass sich Kristalle durch ein elektrisches Feld deformieren lassen; den so genannten

reziproken oder auch inversen piezoelektrischen Effekt (siehe dazu auch Kapitel 1.4.1.3).

Die Wechselwirkung zwischen elektrischen Größen wie z.B. Polarisation, elektrisches Feld

oder Oberflächenladung und den mechanischen Größen wie beispielsweise Spannung und

Dehnung in Festkörpern wird als Piezoelektrizität bezeichnet [15].

Beim piezoelektrischen Effekt wird zwischen dem direkten piezoelektrischen Effekt und dem

reziproken piezoelektrischen Effekt unterschieden [16]. Diese beiden Effekte werden in den

nächsten Kapiteln 1.4.1.2 und 1.4.1.3 näher erläutert und erklärt. Zusätzlich wird der

piezoresistive Effekt in Kapitel 1.4.1.4 beschrieben.

Der piezoelektrische Effekt ist ein Sensoreffekt, er wandelt mechanische Größen in

elektrische Größen um (siehe Kapitel 2.1) [15].


1.4.1.2 Der direkte piezoelektrische Effekt

Der direkte piezoelektrische Effekt oder auch Piezoeffekt (griechisch piezein, drücken [17])

tritt nur in nicht zentrosymmetrischen Kristallen auf. Nicht zentrosymmetrische Kristalle

besitzen mindestens eine Ebene bezüglich derer sie nicht spiegelsymmetrisch sind. Besitzt ein

Kristall eine Symmetrieebene, dann tritt entlang der Normalen der Symmetrieebene kein

piezoelektrischer Effekt auf. Bei solch einem Kristall werden nämlich bei einer Spiegelung an

seiner Symmetrieebene alle mechanischen Größen ineinander übergeführt, die elektrischen

Größen ändern aber ihr Vorzeichen. Aufgrund der Symmetrie des Kristalls müssen die

Größen jedoch alle gleich null sein.

Abbildung 16 Piezoeffekt.

Linkes Bild: Quarzkristall bestehend aus positiv geladenen Siliziumatomen und negativ geladenen Sauerstoffatomen (neutraler Zustand).

Rechtes Bild: Quarzkristall auf den eine Kraft F

wirkt. Diese wirkende Kraft verursacht eine Verformung und bewirkt eine Ladungsverschiebung.

Abbildung 16 soll zum Verstehen dieses physikalischen Effekts beitragen und den Begriff des

nicht zentrosymmetrischen Kristalls veranschaulichen. Wenn auf einen nicht

zentrosymmetrischen Kristall eine Kraft F

wirkt, so findet eine Ladungsverschiebung statt

(die Ladungen der Kristallatome verschieben sich also gegeneinander), die als Oberflächen-

ladung am Kristall auftritt und messbar ist. Die Oberflächenladung des Kristalls wird im

Kristallinnern durch die Polarisation P

beschrieben. Dieser Abschnitt ist ähnlich wie in [15]

beschrieben.

Der piezoelektrische Effekt ist also bei kristallinen, nichtleitenden Festkörpern, die ein

elektrisches Dipolmoment besitzen, beobachtbar. Er tritt unter anderem in folgenden


Kristallen auf: Quarz, Turmalin, Zinkblende, Natriumchlorat, Weinsäure und Seignettesalz

[18,19]. Auch „künstlich“ hergestellte Mischkeramiken, wie beispielsweise PbTiO3 und

BaTiO3 (Bariumtitanat), sind piezoelektrischer Natur und empfindlicher hinsichtlich ihrer

Piezoelektrizität gegenüber dem Quarzkristall (vgl. Tabelle 2). Deshalb werden diese

Mischkeramiken im alltäglichen Leben wie beispielsweise bei Gasanzündern und

Feuerzeugen vorzugsweise eingesetzt (siehe Kapitel 1.4.1.4).

Größe Quarz BaTiO3

Piezoelektrische Empfindlichkeit (pc/N)

2,31;4,26 251

Spez. Widerstand (Ω cm) 1016 ca. 1012 Relative

Dielektrizitätskonstante εr 4,5 1200-1700

Zulässiger Druck (N/mm2) 150 55 Tabelle 2 Vergleich einiger relevanten Größen für piezoelektrische Kraftmessungen bei Quarz und BaTiO3 [19].

Wird ein Kristall elastisch verformt, weil auf ihn eine Kraft F

wirkt, so besteht ein linearer

Zusammenhang zwischen dieser Kraft F

(Normalkraft oder Schubkraft) und der

verschobenen Ladung Q des Kristalls [18,19]. Es gilt:

FdQ ⋅= , (1.17)

wobei d der piezoelektrische Koeffizient ist. Mit dieser Formel 1.17 ist es möglich die

piezoelektrische Empfindlichkeit d des Kristalls zu berechnen.

Man unterscheidet drei Arten des piezoelektrischen Effekts, nämlich den Longitudinaleffekt

(wirkende Kraft parallel zur Dipolachse), den Transversaleffekt (wirkende Kraft senkrecht zur

Dipolachse) und den Schub-Scher-Effekt1 (Einwirkung eines Kräftepaares auf den Kristall),

den man wiederum in einen transversalen und longitudinalen Effekt aufteilt [18]. Die drei

Arten des piezoelektrischen Effekts und die Anwendung der drei Effekte bei Kraftsensoren

sollen anhand von Skizzen in der unten stehenden Abbildung 17 aus [22] und Abbildung 18

aus [15, 22] geklärt werden. Die folgenden Abschnitte stützen sich auf [15,21,22].

Die oberen Bilder zeigen den Longitudinaleffekt. Der Reihe nach von links anfangend zeigt

das erste Bild den unbelasteten Kristallaufbau. Das zweite Bild in der ersten Reihe

demonstriert den belasteten Kristall; durch die wirkende Kraft F

entstehen Verschiebungen

der Ladungsschwerpunkte, daher treten an den Kristalloberflächen Ladungen hervor. Die

1 Dieser Effekt wird manchmal auch nur als Schereffekt bezeichnet.


Kräfte F

auf den Kristall wirken beim Longitudinaleffekt entlang der Oberflächennormalen

n

, die Polarisation P

wiederum ist parallel dazu, es gilt: ( P

F

n

). Bei diesem Effekt und

beim Transversaleffekt, der später behandelt wird, wirken also Druck- bzw. Zugspannungen.

Die beiden rechten Bilder in Abbildung 17 stellen einen typischen Aufbau eines Kraftsensors

dar. Bei Kraftsensoren werden mehrere piezoelektrische Elemente an den Stirnflächen mittels

einer Metallschicht kontaktiert und in einer Polung hintereinandergeschaltet.

Abbildung 17 Darstellungsformen des piezoelektrischen Effekts (die beiden linken Bilder) mit skizziertem Aufbau eines Kraftsensors (die beiden rechten Bilder). Die oberen Bilder zeigen den Longitudinaleffekt, die unteren Bilder den Transversaleffekt [22].

Abbildung 18 Darstellung des Schub-Scher-Effekts (dritte Form des piezoelektrischen Effekts) [15,22].

An gemeinsamen Elektroden ist es möglich jeweils gleichnamige Oberflächenladungen

abzugreifen. Die einzelnen Signale der piezoelektrischen Elemente addieren sich zu einem

gemeinsamen Sensorsignal. Die zweite Reihe in Abbildung 17 zeigt die Anwendung des

transversalen piezoelektrischen Effekts, das erste Bild zeigt den unbelasteten Kristall, das


zweite den belasteten Kristall. Beim Transversaleffekt steht die Polarisation P

senkrecht zu

den wirkenden Kräften, hier gilt: ( P

⊥ F

n

). An den Seitenflächen des Quarzkristalls

erfolgt der Abgriff der Ladungen. Die beiden rechten Bilder der unteren Reihe zeigen den

Aufbau eines typischen Kraftsensors.

In der Darstellung des Schub-Scher-Effekts (siehe Abbildung 18), eine weitere Form des

piezoelektrischen Effekts, beschreibt das linke Bild den unbelasteten Kristall, das mittlere

Bild hingegen den belasteten Kristall. Sowohl beim longitudinalen als auch beim

transversalen Schub-Scher-Effekt wirken die Kräfte senkrecht zu den Oberflächennormalen,

man spricht auch von so genannten Scherspannungen. Die rechten Bilder zeigen den Kristall

in seiner Ursprungsform, dieser ist durch die gestrichelte Linie dargestellt; die durchgezogene

Linie stellt den Kristall nach der Einwirkung einer mechanischen Kraft F

dar. Beim longi-

tudinalen Effekt (1) gilt, dass die Polarisation zu den wirkenden Kräften und zu den Ober-

flächennormalen senkrecht steht; ( P

⊥ F

n

) und ( P

⊥ n

). Beim transversalen Schub-Scher-

Effekt (2) hingegen steht die Polarisation parallel zu den wirkenden Kräften F

.

Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt versteht man also das Phänomen, dass die auf

einen Kristall wirkende Kraft bzw. eine mechanische Verformung des Kristalls Ladungs-

verschiebungen in dessen Inneren hervorruft bzw. verursacht. Dadurch treten Oberflächen-

ladungen am Kristall auf, es entsteht ein elektrisches Feld.

1.4.1.3 Der reziproke piezoelektrische Effekt

Beim reziproken piezoelektrischen Effekt, oftmals auch elektrostriktiver Effekt genannt,

spricht man von einer Umkehrung des direkten piezoelektrischen Effekts [15,18]. Eine

elektrische Spannung, die an die Kristallflächen z.B. eines Quarzkristalls angelegt wird,

bewirkt eine Dehnung oder Stauchung des Kristalls.

Unter dem indirekten piezoelektrischen Effekt versteht man also, dass das Anlegen einer

elektrischen Spannung an einen Kristall eine mechanische Deformation des Kristalls

hervorruft [1]. Dieser Effekt wird unter anderem zur Erzeugung von Ultraschall genutzt.

Durch das an den Kristall angelegte elektrische Feld führt dieser mechanische Schwingungen

aus, die im Resonanzfall sehr energiereich sind. Dadurch werden Ultraschallwellen an die

Umgebung abgegeben (siehe Kapitel 1.2.2).


1.4.1.4 Der piezoresistive Effekt

Unter dem Einfluss bzw. der Einwirkung mechanischer Spannungen ändert sich der

elektrische Widerstand eines Materials, dieser Effekt wird als piezoresistiver Effekt

bezeichnet. Der piezoresistive Effekt wird auch Piezowiderstandseffekt genannt. Die

mechanischen Spannungen können Druck- oder Zugbelastungen sein. Dieser Effekt tritt

häufig bei Kristallen ohne polare Achse auf und ist bei den Halbleitern wie Silizium

besonders gut ausgeprägt.

Für den elektrischen Widerstand R eines quaderförmigen Leiters mit der Länge l, der

Grundfläche A und dem spezifischen Widerstand ρ ergibt sich:

A

lR

⋅=

ρ. (1.18)

Wirkt nun eine mechanische Kraft auf diesen Körper dann gilt für die Widerstandsänderung:

ρ

ρ∆+

∆−

∆=

∆

A

A

l

l

R

R. (1.19)

Die ersten beiden Terme der Gleichung 1.19 hängen lediglich von der Geometrie des Körpers

ab, der letzte Term, nämlich ρ

ρ∆, beschreibt den piezoresistiven Effekt. Die elastische

Verformbarkeit z.B. von Silizium ist minimal im Vergleich zu Metallen, der elektrische

Widerstand hingegen ändert sich stärker. Die Widerstandsänderung wird bei Metallen

hauptsächlich durch den Geometriefaktor bestimmt. Anders ist es bei Halbleitern, dort

überwiegt der piezoresistive Effekt. Bei Halbleitern ist die Ursache des auftretenden

piezoresistiven Effekts in der Bandstruktur zu suchen. Wirken Kräfte auf einen Halbleiter,

dann verschieben sich dessen Gitteratome und dadurch tritt eine Widerstandsänderung auf.

Der piezoresistive Effekt wird unter anderem zum Messen von Beschleunigungen oder bei

Druckmessungen ausgenutzt, die Sensoren werden piezoresistive Beschleunigungssensoren

(siehe Kapitel 2.5.4) bzw. piezoresistive Drucksensoren genannt. Kapitel 1.4.1.4 richtet sich

nach [15,22,23].

1.4.1.5 Heutige Bedeutung und Anwendungsgebiete des piezoelektrischen

Effekts

Beide Effekte, der reziproke piezoelektrische Effekt und der direkte piezoelektrische Effekt,

haben heutzutage eine Vielzahl von Anwendungen in Technik und Alltag. Der direkte

piezoelektrische Effekt - der longitudinale sowie der transversale - wird hauptsächlich zur

Herstellung von Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren ausgenutzt. Bei der


Anwendung des direkten piezoelektrischen Effekts ist eine Resonanzschwingung der

piezoelektrischen Elemente nicht erwünscht. Piezoelektrische Elemente findet man unter

anderem in Feuerzeugen (oder auch elektrische Gasanzünder genannt) und Mikrophonen.

Große Anwendungsgebiete von piezoelektrischen Materialien findet man im Haushalt und in

der Verkehrstechnik. In der Kraftfahrzeugtechnik enthalten unter anderem die

Beschleunigungssensoren, die durch ein abgegebenes Signal Airbag oder Gurtstraffer

auslösen, Piezokeramiken.

Der reziproke piezoelektrische Effekt wird beispielsweise bei der Erzeugung von Ultraschall

(siehe Kapitel 1.2.2) bei Quarzuhren und bei Lautsprechern ausgenutzt. Bei der Anwendung

des reziproken piezoelektrischen Effekts z.B. beim Ultraschall sind im Gegensatz zu dem

direkten piezoelektrischen Effekt Resonanzschwingungen der piezoelektrischen Elemente

erwünscht. Sei es in der Ultraschalltechnik, als piezoelektrische elektromechanische Wandler

oder in der Nachrichtentechnik, der reziproke piezoelektrische Effekt weist vielfältige

Anwendungen auf. Kapitel 1.4.1.5 stützt sich auf [19,20,21].

1.4.1.6 Der piezoelektrische Effekt im Physikunterricht

Der piezoelektrische Effekt kann im Physikunterricht entweder bei den Themen Ladung und

elektrisches Feld bzw. in der Festköperphysik bei den Eigenschaften von Festkörpern

behandelt werden [1]. Es kann der piezoelektrische Effekt an sich und dann seine zahlreichen

Anwendungen im alltäglichen Leben, wie in Feuerzeugen, bei der Erzeugung von Ultraschall

(siehe Kapitel 2.2) oder der Einsatz des Effekts bei Messungen von Beschleunigungen

besprochen werden.

Im Schulunterricht ist als Einstieg eine Demonstration des piezoelektrischen Effekts möglich;

hier bietet sich die Piezodruckbox von Leybold an [20]. Ist diese Druckbox in der

Schulsammlung nicht vorhanden, dann kann man sich ein solches Kästchen mit einfachsten

und kostengünstigen Mitteln selbst bauen (siehe Kapitel 3.4.1.1). Nachdem am Anfang der

Unterrichtseinheit das Experiment steht, soll nach dessen Demonstration der piezoelektrische

Effekt an sich geklärt werden. Hier ist eine schematisch vereinfachte Darstellung der

Ladungsverteilungen in Piezokeramiken, basierend auf dem atomaren Kugelmodell, wie in

Abbildung 16 möglich. Auch eine kurze geschichtliche Einführung des piezoelektrischen

Effekts und die heutige Bedeutung des Piezoeffekts sind denkbar.


1.4.2 Halbleiterdiode und Fotodiode

Im Experiment „Regensensor“ wird eine Fotodiode benötigt. Da eine Halbleiterdiode ähnlich

aufgebaut ist, wird zunächst deren Aufbau und Funktionsweise geklärt. Kapitel 1.4.2 lehnt

sich an [3] an.

1.4.2.1 Halbleiterdiode

Eine Halbleiterdiode ist in zwei Teile unterteilt, zum einem in den n-dotierten Teil

(Elektronenüberschuss) und zum anderen in einen p-dotierten Teil (Elektronenmangel).

Beispielsweise kann man bei einem Siliziumkristall eine Hälfte mit Arsen und die andere

Hälfte mit Aluminium dotieren.

Angenommen der Pluspol einer Spannungsquelle liegt am n-dotierten Teil der Diode, dann

können keine Leitungselektronen aus dem p-dotierten Teil in den n-dotierten Teil der

Halbleiterdiode fließen, da es im p-dotierten Teil keine Leitungselektronen gibt (siehe

Abbildung 19). Außerdem können aus dem n-dotierten Teil der Diode keine Löcher - d.h.

Stellen an denen ein Elektron fehlt - in den p-dotierten Teil gelangen, weil es gar keine

Löcher im n-dotierten Teil gibt und dadurch kein Ladungsfluss möglich ist. Die Diode ist in

diesem Fall in Sperrrichtung gepolt.

Abbildung 19 p-n-Übergang bei der Halbleiterdiode in Durchlassrichtung (rechtes Bild) und in Sperrrichtung (linkes Bild) gepolt. In der Abbildung sind nur noch die beweglichen Leitungselektronen zu sehen mit (-) gekennzeichnet und die Löcher mit (+) gekennzeichnet, nicht die Bindungs- elektronen [3].

Eine weitere Möglichkeit ist nun, dass der Minuspol der Spannungsquelle am n-dotierten Teil

des Kristalls liegt, man sagt die Diode ist in Durchlassrichtung gepolt. Nun dringen die

zahlreichen Leitungselektronen des n-dotierten Teils ohne Schwierigkeiten über die Grenze in

den p-dotierten Teil (siehe Abbildung 19). Die Leitungselektronen fallen dort in Löcher, die

andauernd vom Pluspol der Spannungsquelle nachgeliefert werden. Die Löcher des p-

dotierten Teils gelangen ebenso ungehindert über die Grenze; dort werden diese durch


Leitungselektronen gefüllt, wofür am Minuspol Elektronen nachströmen. Ein Ladungsfluss ist

in diesem Fall - wenn der Minuspol der Spannungsquelle am n-dotierten Teil liegt - möglich.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine Halbleiterdiode nur dann Strom in einer Richtung

zulässt, wenn der n-dotierte Teil der Diode am Minuspol und der p-dotierte Teil der Diode am

Pluspol der Spannungsquelle liegt; eine Halbleiterdiode lässt also nur in einer Richtung Strom

durch.

Abbildung 20 Bild einer Diode (linkes Bild, [11]) und einer Fotodiode (rechtes Bild, [12]).

1.4.2.2 Fotodiode

Wenn eine Fotodiode in Sperrrichtung an eine Spannungsquelle gepolt ist, dann lässt diese

wie jede Diode keinen Strom durch. Beleuchtet man nun die Fotodiode mit Licht, dann tritt

eine Änderung ein. Eine Fotodiode besitzt ein Glasfenster, also kann das Licht die

Grenzschicht zwischen n- und p-dotiertem Teil der Diode ohne Schwierigkeiten erreichen

Abbildung 21 Schematischer Aufbau einer Fotodiode [10].

(siehe Abbildung 20). Hier ist also ein Ladungsfluss möglich. Durch die Energie des Lichts

werden Bindungselektronen aus der Bindung befreit (siehe Abbildung 21). Im p- Halbleiter


entstehen also auch Leitungselektronen und im n-Halbleiter der Fotodiode entstehen Löcher.

Die entstehenden Leitungselektronen im p-Halbleiter und die entstehenden Löcher im n-

Halbleiter werden beide von der angelegten Spannungsquelle über die Grenze gezogen, die

Fotodiode leitet.

Abschließend ist zu sagen, dass Fotodioden in Sperrrichtung betrieben werden und dass diese

leiten sobald man sie beleuchtet.


1.5 Das elektrische Feld

Der oberflächenmikromechanische Beschleunigungssensor, der im Kapitel 2.5.3 beschrieben

wird und in einem Experiment im Kapitel 3.4.1.6 zum Einsatz kommt, beruht auf einer

kapazitiven Funktionsweise. Aufgrund dessen wird der Kondensator in diesem Kapitel

behandelt, siehe dazu [1,13,14]. Ein Regensensor, der in Kapitel 2.4.3 vorgestellt wird,

arbeitet ebenfalls kapazitiv.

1.5.1 Der Plattenkondensator

Ein Plattenkondensator besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten die leitfähig

sind. Schließt man nun an den Plattenkondensator eine Spannungsquelle an, dann passiert

folgendes: Es fließen so lange negative Ladungen auf die eine Platte und positive Ladungen

auf die andere Platte (siehe Abbildung 22), bis die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden

parallelen Platten der angelegten Spannung aus der Spannungsquelle entspricht. Man stellt

also fest, dass die an den Kondensator angelegte Spannung proportional zur Ladung ist, die

vom Kondensator gespeichert wird. Diese gespeicherte Ladung ist außerdem noch von der

Plattengröße und dem Plattenabstand abhängig. U sei die angelegte Spannung und Q sei die

Ladung des Plattenkondensators. Für die Kapazität C gilt:

U

QC = . (1.20)

Die Kapazität eines Kondensators gibt an, wie viel Ladung bei vorgegebener Spannung im

Kondensator gespeichert wird. Die Einheit der Kapazität ist Farad (F), [F] = 1V

C .

Abbildung 22: Pal Abbildung 22 Plattenkondensator mit Spannungsquelle.

Nun soll die Kapazität eines Plattenkondensators bestimmt werden, dieses soll mit Hilfe der

Laplace-Gleichung erfolgen. Die Laplace-Gleichung ( ∆ ist der Laplace-Operator) lautet:


0=∆= φφgraddiv , (1.21)

da 0=ρ . Diese folgt aus 0ε

ρφφ =∆−=−= graddivdivE wobei φφ −∇=−= ),,( zyxgradE

ist. Man nehme an, die eine Platte befinde sich an der Stelle x = 0 mit der Ladung +Q und die

zweite Kondensatorplatte bei x = d auf der sich die Ladung –Q befindet. Aus der Laplace-

Gleichung 1.21 folgt nun: 2

2

x∂

∂ φ= 0 ⇒ bax +=φ . (1.22)

Die erste Kondensatorplatte besitzt bei x = 0 das Potential 1φ , die zweite Kondensatorplatte

besitzt bei x = d das Potential 2φ . Für die Spannung zwischen diesen beiden Platten gilt:

21 φφ −=U . (1.23)

Aus b=1φ und 12 φφ += ad folgt, dass da /)( 12 φφ −= . (1.24)

Für das Potential zwischen den beiden Kondensatorplatten ergibt dies 1)( φφ +−= xd

Ux .

Daraus folgt nun die Feldstärke xed

UgradE

∗=−= φ ⇒d

UE = ( EE =

). (1.25)

Mit0ε

σ=E (ε0 ist die elektrische Feldkonstante wobei ε0 = 8,854187817 ⋅ 10-12

Vm

As beträgt)

und σ der Ladungsdichte

=

A

Qσ und A der Plattenfläche folgt die Kapazität des

Plattenkondensators C0: d

AC 00 ε= . (1.26)

C0, die Kapazität eines Plattenkondensators, ist also proportional zu der Plattenfläche A und

umgekehrt proportional zum Abstand d der beiden Platten. Die Gleichung 1.26 gilt nur für

einen luftgefüllten Raum zwischen den Kondensatorplatten. Wenn man nun in das elektrische

Feld zwischen den beiden Kondensatorplatten ein anderes nichtleitendes Medium einbringt,

ein Dielektrikum, dann berechnet sich die Kapazität eines Plattenkondensators nach:

d

AC rεε 0= , (1.27)

εr nennt man Dielektrizitätszahl; diese gibt das Verhältnis zwischen der Kapazität C mit

Dielektrikum zur Kapazität C0: 0C

Cr =ε . (1.28)

Die Dielektrizitätszahl εr ist eine Stoffkonstante (sie ist nur für isotrope Stoffe eine

Konstante), die für das jeweilige Dielektrikum charakteristisch ist. Ein Dielektrikum zwischen

den Kondensatorplatten bewirkt eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators.

Sensoren 33

Kapitel 2: Sensoren

Das zweite Kapitel dieser Examensarbeit soll die Sensoren (Ultraschallsensor, Regensensor,

Airbagsensor), die im dritten Kapitel als Schülerexperimente vorgestellt werden, hinsichtlich

ihrer Arbeits- und Funktionsweise in der Realität darlegen und veranschaulichen. Bevor auf

die einzelnen Sensoren im Auto eingegangen wird, sollen zunächst allgemeine Grundlagen

von Sensoren diskutiert werden. Fragen wie: „Was sind die Aufgaben eines Sensors?“ und

„Welche Arten von Sensorsystemen gibt es (integrierter Sensor, intelligenter Sensor)?“ sollen

Themen dieses Kapitels sein. Auch der Vergleich zwischen menschlichen Sinnesorganen und

Sensoren wird dargelegt. Nachdem die allgemeinen Grundlagen von Sensoren geklärt sind,

soll dann näher auf den eigentlichen Gesichtspunkt, die Sensoren im Kraftfahrzeug,

eingegangen werden. Hauptanforderungen und Trends von Sensoren im Auto schließen den

allgemeinen Teil ab und die Beschreibung der drei eigentlichen Sensoren, dem

Ultraschallsensor, dem Regensensor und dem Airbagsensor findet ihren Anfang. Abgerundet

werden die Kapitel der jeweiligen Sensoren durch das zugehörige System im Auto -

Ultraschallsensor und Einparkhilfe - Airbagsensor (Beschleunigungssensor) und das gesamte

Airbagsystem.

Im Hinblick auf das dritte Kapitel soll der in diesem Kapitel beschriebene Aufbau der

Sensoren im Auto - der zwar relativ kompliziert ist - verständlich für Schüler umgesetzt

werden. Bemerkenswert ist, dass die Schülerexperimente kostengünstig (Low Budget) sind.

2.1 Grundlagen von Sensoren

Der Begriff Sensor leitet sich vom lateinischen Wort „Sensorium“ - das Empfindungs-

vermögen - oder von „Sensus“ - dem Sinn - ab [22]. Sucht man in der Brockhaus

Enzyklopädie [17] unter dem Begriff Sensoren, so findet man folgendes: „Sensoren

[lateinisch], Messfühler, Geräte zur Messung physikalischer Größen, z.B. Temperatur, Druck

und Dichte von Gasen, Lage und Bewegungen eines Körpers im Raum, elektromagnetische

Erscheinungen in der Atmosphäre und im Weltraum.“

Eine kurze Einführung in die Thematik bietet [24]. Nach Aristoteles, der im vierten

Jahrhundert vor Christus lebte, besitzt der Mensch fünf Sinne, die auch oft als die fünf

„Fenster der Seele“ bezeichnet werden: den Tastsinn, den Geschmackssinn, den Geruchssinn,

den Hörsinn und den Sehsinn. Über die sensorischen Nerven werden wiederum die

Sinneseindrücke von den Sinnesorganen an die dafür bestimmten Zentren des Gehirns

weitergeleitet [17]. Der Mensch besitzt neben diesen fünf Hauptsinnen noch weitere Sinne,

Sensoren 34

einige seien nun kurz erwähnt. Der Mensch kann feine Temperaturunterschiede ausmachen,

besitzt einen Gleichgewichtsinn und einen kinetischen Sinn, der beispielsweise die Hand

eines Chirurgen feinsteuert.

Weitere Sinne findet man in der Tierwelt. Zugvögel aber auch Brieftauben, Bienen und

Forellen sind bekannt für ihren magnetischen Sinn. Durch einen „Kompass“ im Körper der

Tiere findet beispielsweise die Brieftaube aus einer Entfernung von mehr als tausend

Kilometern zu ihrem Schlag zurück.

Abbildung 22 Brieftauben und Biene.

Ein weiteres Tier, nämlich der Elefantenrüsselfisch, besitzt einen ungewöhnlichen Sinn: den

so genannten elektrischen Sinn. Der Elefantenrüsselfisch erzeugt um seinen Körper herum ein

elektrisches Feld und kann dann durch feinste Störungen seine Beute am Tag sowie in der

Nacht und im trüben Wasser erkennen. Der Elefantenrüsselfisch trägt an seinem Schwanz

einen niederfrequenten Sender, dessen Pulsationen empfängt er mit seinem Kopf und wertet

diese aus (siehe Abbildung 23).

Abbildung 23 Elefantenrüsselfisch [24].

Außerdem gibt es noch sogenannte Feuerkäfer - Melanophila acuminata - die mittels

Infrarotdetektoren Waldbrände meilenweit aufspüren bzw. orten können. Für diesen

schwarzen Käfer ist sein empfindlicher Rauchdetektor überlebenswichtig. Er legt auf

ausgebranntes Holz seine Eier, da dieses durch das Feuer von anderen Parasiten befreit

worden ist.

Den ältesten aller Sinne, der je auf der Erde entdeckt wurde, fand man bei den Ur-Bakterien,

diese hatten nämlich einen Geruchssinn und Geschmackssinn.

Sensoren 35

Um näher auf den technischen Sensorbegriff einzugehen wurde [22] verwendet. Die

technischen Sensoren werden oftmals mit den menschlichen Sinnesorganen verglichen und es

werden Analogien hergestellt. Im Vergleich stellt man fest, dass der Inhalt des technischen

Abbildung 24 Analogie der menschlichen Sinnesorgane zu den Sensoren der Technik [22].

Sensorbegriffs weit über die Analogie der menschlichen Sinnesorgane hinausgeht. Der Inhalt

des Sensorbegriffes stellt ein übergreifendes Synonym für Messwandler, Messfühler und

Messaufnehmer dar. In der Abbildung 24 wird deutlich, dass ein Sensor aus der Technik oder

ein Sinnesorgan des Menschen allein nichts bewirken kann. Erst der „ganze“ Mensch oder die

komplette Maschine, also ein ganzes System verschiedenster Faktoren, ist dazu fähig.

Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe in eine elektrische Größe um, damit diese

elektronisch weiterverarbeitet oder übertragen werden kann.

Abbildung 25 Grundfunktion eines Sensors [25].

Sensoren 36

Von einem solchen Sensor können also physikalische Größen wie magnetische Signale,

elektromagnetische Strahlung, chemische Größen, mechanische Signale und thermische

Signale in ein elektrisches Signal umgewandelt werden (siehe Abbildung 25, [25]).

Durch die folgenden beiden Gleichungen aus [25] lässt sich ein Sensor charakterisieren:

1) ,..),,( 21 YYfE φ= (Sensorausgangssignal) (2.1)

2) ,..),,( 21 YYEg=φ (gesuchte Messgröße). (2.2)

Wenn die beiden Funktionen f oder g bekannt sind, dann stellen sie ein „Sensormodell“ dar.

Die gesuchte Messgröße lässt sich mithilfe des Ausgangssignals E und den Störgrößen Yi

mathematisch berechen.

Mögliche physikalische Messgrößen, die von Sensoren registriert und in elektrische Signale

umgewandelt werden, können Beschleunigung, Abstand, Druck, Dichte, Temperatur,

Wellenlänge, Schallgeschwindigkeit, Intensität, Zeit etc. sein.

Ein Sensor wird unterteilt in ein Primärelement und ein Sensorelement2. Die Durchbiegung

einer Halbleitermembran ist hier ein geeignetes Beispiel um die Begriffe Primärelement und

Sensorelement beziehungsweise Wandler näher zu erläutern.

Das Primärelement nimmt den Druck auf, der beim Durchbiegen einer Halbleitermembran

auftritt. Das zugehörige Sensorelement wandelt die Durchbiegung der Halbleitermembran

- eine nichtelektrische Größe - in ein elektrisches Spannungssignal um. In die

Halbleitermembran sind Widerstände in Form einer Brücke hinein diffundiert, die beim

Durchbiegen ihre physikalische Größe ändern.

Sogenannte Piezosensoren oder auch die Fotosensoren bestehen statt aus einem

Primärelement und einem Sensorelement nur aus einem Sensorelement (Wandlerelement).

Nach dem Sensor, bestehend aus Primärelement und Sensorelement, kommt zuerst die

elektrische Signalaufarbeitung und dann die Signalverarbeitung (vgl. Abbildung 26). Die

elektrische Signalverarbeitung ist das Ziel eines Sensors. Inhalte der Signalaufbereitung

können z.B. Verstärkung, Filterung, Analog-Digital-Wandlung oder einfache

Korrekturschaltungen sein. Bei der Signalaufbereitung gibt es nun zwei Möglichkeiten:

entweder ist diese vom Sensor räumlich getrennt - 1. Sensorsystem - oder mit dem Sensor

integriert - 2. Sensorsystem – (vgl. Abbildung 26). Wenn die Aufbereitungselektronik mit

2 Ein Sensorelement wird auch als Wandler bezeichnet.

Sensoren 37

dem Sensor integriert ist, spricht man vom integrierten Sensor. Sensor und Aufbereitungs-

elektronik zusammen genommen beschreiben ein so genanntes Sensorsystem3.

Abbildung 26 Mögliche Arten von Sensorsystemen.

Man unterscheidet drei mögliche Arten von Sensorsystemen. Das erste System in der Abbildung skizziert einen diskreten Aufbau eines Sensorsystems (1. Sensorsystem), das zweite System ist ein Sensorsystem mit integriertem Sensor (2.Sensorsystem) und im dritten Teilbild ist ein intelligenter Sensor oder ein intelligentes Sensorsystem (3. Sensorsystem) abgebildet [22].

Ein intelligenter Sensor oder ein intelligentes Sensorsystem beinhaltet den integrierten Sensor

und die Verarbeitungseinheit. Bei intelligenten Sensoren ist also die Verarbeitungselektronik

im Sensor enthalten, die unter anderem aus Prozessoren besteht, die beispielsweise

Korrekturalgorithmen, Diagnoseschritte, Tests und gezielte Abfragen mehrerer Sensoren

ermöglichen. Die Ausgangsgröße ist wie bei dem integrierten Sensor elektrisch. Um diese

Signalverarbeitung zu ermöglichen ist eine entsprechende Software erforderlich.

Als Sensorik oder Sensortechnik bezeichnet man daher den Zusammenschluss von Sensor

oder Sensorsystem, Signalaufbereitung und Signalverarbeitung und die dazugehörige Soft-

und Hardware.

3 Anzumerken ist hier, dass unter einem Sensorsystem aber auch eine Anordnung von mehreren Sensoren verstanden werden kann, die nicht von gleichem Typ sein müssen.

Sensoren 38

2.2 Sensoren im Kraftfahrzeug

Es gibt heutzutage eine Vielzahl von Sensoren im Kraftfahrzeug und in naher Zukunft wird

sich deren Zahl noch wesentlich erhöhen. Die Abbildung 27 zeigt die Fülle der Sensoren im

Kraftfahrzeug auf, wobei in drei wesentliche Kategorien unterschieden wird. Erstens in

Sensoren, die zu dem Antriebsstrang gehören, zweitens in Sensoren, die den Komfort der

Fahrzeuginsassen unterstützen sollen und drittens in Sensoren, die der Sicherheit der

Fahrzeugpassagiere dienen.

Hinsichtlich der Sicherheit der Fahrzeuginsassen unterscheidet man in aktive und passive

Sicherheitssysteme [26]. Die aktiven Sicherheitssysteme sollen helfen Unfälle zu verhindern

bzw. zu vermeiden (z.B. ABS4, ESP5 etc.). Die passiven Sicherheitssysteme hingegen (z.B.

das Airbagsystem und die Sicherheitskarosserie) soll mögliche Unfallfolgen auf ein Minimum

reduzieren.

Abbildung 27 Die Vielfalt der Fahrzeugsysteme mit Sensoren [25].

4 Antiblockiersystem 5 Elektronisches Stabilitäts-Programm

Sensoren 39

2.2.1 Hauptanforderungen und Trends von Sensoren im Auto

An Sensoren für Kraftfahrzeuge werden fünf gravierende Anforderungen gestellt, die von der

Entwicklung berücksichtigt und erfüllt werden müssen [25].

Hohe Zuverlässigkeit

Die erste Anforderung, die ein Sensor im Auto erfüllen muss, ist hohe Zuverlässigkeit. Sei es

bei der Lenkung, beim Bremsen oder beim Schutz der Passagiere, überall müssen die

Sensoren einwandfrei funktionieren. Es gelten dabei ähnliche Anforderungen wie in der Luft-

und Raumfahrt. Die Entwicklungsmaßnahmen im Bereich der hohen Zuverlässigkeit der

Sensoren werden durch den Einsatz höchst zuverlässiger Komponenten und Materialien und

robuster und erprobten Techniken gewährleistet. Die Zukunft werden wohl „funkabfragbare

Sensoren“, die auf der Basis von antennengekoppelten SAW6 - Elementen arbeiten,

bestimmen. Diese Sensoren würden dann ganz ohne Verkabelung auskommen.

Geringe Herstellkosten

Geringe Herstellkosten sind ein weiterer Gesichtspunkt bei den Anforderungen bei Sensoren

im Auto. Die meisten neuen Kraftfahrzeuge besitzen zwischen 60 und 70 Sensoren. Bei solch

einer Vielzahl ist ersichtlich, dass die Herstellkosten möglichst gering gehalten werden

müssen. Wenn man die konventionellen Sensoren hinsichtlich den Herstellkosten mit den

Sensoren im Kraftfahrzeug vergleicht dann fällt auf, dass diese bei gleicher

Leistungsfähigkeit oftmals um den Faktor 100 höhere Kosten haben. Ein typischer

Zielbereich für die Herstellerkosten für Sensoren im Kraftfahrzeug liegt zwischen einem Euro

und 25 Euro. Die Herstellung der Sensoren ist weitgehend durch ein automatisiertes

Fertigungsverfahren bestimmt.

Harte Betriebsbedingungen

Neben der hohen Zuverlässigkeit und den geringen Herstellkosten ist ein weiterer

entscheidender Faktor für die Sensoren im Kraftfahrzeug maßgeblich, nämlich die harten

Betriebsbedingungen. Diese Sensoren müssen extremen Belastungen genügen, da sie an

besonders gefährdeten Stellen im Fahrzeug sitzen. Mechanische Belastungen, wie

beispielsweise Vibrationen oder Stöße, die durch unebene und schlechte Straßen

hervorgerufen werden, dürfen die Sensoren nicht beeinflussen. Auch klimatische

Bedingungen, wie eisige oder wüstenhafte Temperaturen und Feuchte dürfen keine

6 SAW Surface Acoustic Wave oder OFW Oberflächenwellen.

Sensoren 40

Störfaktoren von Seiten der Sensoren hervorrufen. Ein Beschleunigungssensor bzw. ein

Airbagsensor muss den Airbag bei hohen sowie bei niedrigen Temperaturen ohne Fehler

auslösen. Auch chemische Belastungen wie beispielsweise Spritzwasser, Salznebel,

Kraftstoff, Motoröl oder Batteriesäure und elektromagnetische Belastungen wie etwa

elektromagnetische Einstrahlung, leistungsgebundene Störimpulse, Überspannungen sowie

Verpolung sind entscheidende Faktoren bei den harten Betriebsbedingungen für Sensoren im

Kraftfahrzeug.

Kleine Bauweise

Die kleine Bauweise der Sensoren ist zum einen deshalb erforderlich, weil die Anzahl der

elektronischen Geräte im Kraftfahrzeug immer mehr zunimmt. Außerdem erfordert eine

immer kompaktere Form der Fahrzeuge bei gleichbleibendem Innenkomfort für die Insassen

auch eine kleinere Bauweise der Sensoren. Eine weitere entscheidende Rolle spielt die immer

größere Frage der Kraftstoffeinsparung, die die Minimierung des Fahrzeugsgewichts und die

dadurch bedingte immer kleinere Bauweise der Sensoren im Kraftfahrzeug zur Folge hat.

Modernste Techniken, wie beispielsweise Schicht- und Hybridtechniken etc., kommen bei der

Frage der Miniaturisierung elektronischer Bauelemente zum Einsatz.

Um nähere Informationen über die Herstellung von Sensoren zu erhalten, sei auf [15]

verwiesen.

Hohe Genauigkeit

Vergleicht man die Sensoren im Kraftfahrzeug hinsichtlich ihrer Genauigkeit mit den

Industriesensoren, so zeigen sich hier zulässige Abweichungen von über 1% des Endwerts des

Messbereichs. Um höhere Genauigkeit zu gewährleisten müssen immer anspruchsvollere und

komplexere Systeme erstellt werden.

Sensoren 41

2.3 Ultraschallsensor

2.3.1 Anwendung der Ultraschallsensoren

Bei der Einparkhilfe werden Ultraschallsensoren verwendet; diese können dem Kfz-Fahrer

beim Ein- und Ausparken bzw. beim Rangieren nützlich und behilflich sein. Sie ermitteln die

Abstände zu den nächstliegenden Hindernissen hinter bzw. vor dem Kraftfahrzeug. Dieser

Abstand wird dem Fahrer des Kraftfahrzeugs akustisch und / oder optisch signalisiert. Die

Abbildung 28 zeigt einen Ultraschallsensor an der Fahrzeugfront. Die Beschreibung des

Ultraschallsensors in diesem Kapitel stützt sich im Wesentlichen auf [25,27].

Abbildung 28 Ultraschallsensor an der Fahrzeugfront.

2.3.2 Aufbau der Ultraschallsensoren

Ein Ultraschallsensor besteht aus einem Gehäuse aus Kunststoff in das eine Steckverbindung

integriert ist (vgl. Abbildung 29). Hauptbestandteile dieses Sensors sind außerdem noch ein

Ultraschallwandler, der aus einer Aluminiummembran besteht und auf deren Innenseite eine

Abbildung 29 Schnitt durch den Ultraschallsensor (linkes Bild) und Blockschaltbild des Ultraschall- sensors (rechtes Bild) [25].

Ultraschallsensor

Sensoren 42

Piezoscheibe geklebt ist. Außerdem sind eine Leiterplatte und die Sende- und

Auswertelektronik Bestandteile dieses Sensors. Wie man auch in dem Blockschaltbild des

Ultraschallsensors erkennt, handelt es sich hier um einen intelligenten Sensor (vgl. Kapitel

2.1). In Abbildung 29 sind folgende Teile des Ultraschallsensors mit Ziffern gekennzeichnet:

1 Leiterplatte

2 Vergussmasse

3 Kunststoffgehäuse

4 Systemträger

5 Entkopplungsring

(Silikongummi)

6 Hülse

7 Ultraschallwandler

8 Abdeckkappe

9 elektrischer Anschluss

(Stecker).

2.3.3 Arbeitsweise der Ultraschallsensoren

Die Arbeitweise des Ultraschallsensors erfolgt nach dem Puls-Echo-Prinzip in Verbindung mit

der Triangulation (vgl. Abbildung 30). Der Ultraschallsensor wird auch oft akustischer Sensor

genannt. Das zugehörige Steuergerät sendet an den Ultraschallsensor einen digitalen

Sendeimpuls. Die elektronische Schaltung regt nun die Aluminiummembran im Ultraschall-

wandler zum Schwingen und dadurch zum Aussenden von Ultraschall an (vgl. Kapitel 1.4.1.3).

Diese Anregung erfolgt mittels Rechteckimpulsen mit der Resonanzfrequenz. Die

Ultraschallsensoren senden Ultraschallimpulse mit einer Frequenz von ca. 40 kHz. Die

Ultraschallwellen werden nun am nächstliegenden Hindernis bzw. Gegenstand reflektiert und

gelangen wieder zu der Aluminiummembran des Ultraschallwandlers.

Abbildung 30 Absicherungsbereich des Einparksystems [27].

Die Membran, die wieder im Ruhezustand ist, wird durch die wiederum ankommenden

Ultraschallwellen in Schwingungen versetzt. Die physikalisch bedingte Abklingdauer der

Sensoren 43

Aluminiummembran beträgt ca. 900 µs, in dieser Zeit ist kein Empfang möglich. Die Piezo-

keramik gibt die Schwingungen anhand eines analogen elektrischen Signals aus und gibt dieses

an die Sensorelektronik weiter. Die Sensorelektronik verstärkt das einkommende analoge Signal

von der Piezokeramik und wandelt dieses in ein digitales Signal um (vgl. Abbildung 29).

Gegenüber dem Steuergerät hat der Ultraschallsensor immer Priorität. Falls ein Echosignal

vorliegt, kann das Sendesignal nicht verarbeitet werden. Unterschreitet das Echosignal am

Ultraschallsensor eine bestimmte Schwelle (zu schwaches Echosignal), dann wird der Sensor

vom Steuergerät auf der Signalleitung zum Senden angeregt. Bei der Einparkhilfe ist ein

möglichst großer Erfassungsbereich von Bedeutung. Man unterscheidet beim Ultraschallsensor

zwei verschiedene Erfassungswinkel, zum einen den Erfassungswinkel im horizontalen Bereich

und zum anderen den Erfassungswinkel im vertikalen Bereich. Im horizontalen Bereich ist ein

großer Erfassungswinkel erforderlich, beim Winkel im vertikalen Bereich jedoch nicht, damit

störende Bodenreflexionen vermieden werden. Durch diese Abstrahl- und

Empfangscharakteristik ist die Erfassung eines großen Bereichs gewährleistet (vgl. Abbildung

31). Der Raum hinter dem Heck und vor der Fahrzeugfront kann durch vier Sensoren fast

lückenlos überwacht werden (vgl. Abbildung 30).

Abbildung 31 Abstrahl- und Empfangscharakteristik eines Ultraschallsensors; 1 Horizontalcharakteristik und 2 Vertikalcharakteristik [25].

2.3.4 Einparkhilfe mit Ultraschallsensoren

Das System der Einparkhilfe besteht aus insgesamt vier bis zehn Ultraschallsensoren, wobei die

Sensoren meistens in den beiden Stoßfängern des Fahrzeugs integriert sind. Am Heck befinden

sich vier Sensoren und an der Front können es zwischen vier und sechs sein (siehe Abbildung

34). Die kleine Bauform der Ultraschallsensoren ermöglicht ein einfaches Einbauen in die

Stoßfänger des Kraftfahrzeugs. Durch die Nutzung mehrerer Ultraschallsensoren ergibt sich ein

größerer Erfassungswinkel. Mithilfe der „Triangulation“ können die Entfernung und der Winkel

Sensoren 44

zum jeweiligen Hindernis berechnet werden. Dieses Einparkhilfesystem besitzt einen

Detektionsbereich von ca. 0,25 m bis ca. 1,6 m. Zudem besteht das Einparkhilfesystem außer den

Ultraschallsensoren noch aus einem zugehörigen Steuergerät und Warnelementen

Warnelemente der Einparkhilfe

Bei der Einparkhilfe gibt es, wie bei vielen technischen Systemen im Kraftfahrzeug, eine

Kontrollleuchte die den Betriebszustand anzeigt. Außerdem befinden sich noch zwei weitere

Warnelemente im Fahrzeug.

Hierzu zählt eine optische Anzeige (Display) und ein akustisches Signal in Form eines Pieptons.

Die optische Anzeige übermittelt dem Fahrer die noch verbleibende Entfernung zum

nächstgelegenen Hindernis. Mit sich verringerndem Abstand wechseln die Segmente auf dem

Display von der Farbe grün über gelb zu rot, wobei rot den Gefahrenbereich (< 25 cm) anzeigt

(siehe Abbildung 32). Zusätzlich wird die optische Warnung durch einen Piepton ergänzt. Mit

sich verringerndem Abstand zum nahenden Hindernis erhöht sich die Frequenz des Piepens, bis

schließlich im Gefahrenbereich ein Dauerton einsetzt. Häufig sind auch Fahrzeugtypen zu

finden, die nur mit dem akustischen Warnsignal arbeiten.

Abbildung 32 Optische Anzeige (Display) der Einparkhilfe [28].

Steuergerät der Einparkhilfe

Neben der Spannungsversorgung enthält das Steuergerät den Ein- und Ausgangstreiber für die

Ultraschallsensoren und für die Anzeige. Ein Mikroprozessor ist für die Ansteuerung der

aufgeführten Komponenten sowie für die Überwachung und Speicherung aller festgestellten

Sensoren 45

Fehler zuständig. Die Speicherung der festgestellten Fehler kann dann nachher in der Werkstatt

die Diagnose wirkungsvoll unterstützen.

Abbildung 33 Bauset der Einparkhilfe [29].

Funktionsbeschreibung der Einparkhilfe

Das System der Einparkhilfe ist so entwickelt worden, dass es zum einen als reine

Rückraumüberwachung bzw. Rückfahrhilfe - oft „Park Pilot“ genannt - dienen kann oder zum

anderen als gesamtes Einparksystem genutzt wird. Diese Systemwahl kann am Ende des

Montagebandes vom Kfz-Hersteller je nach Wunsch des Käufers programmiert werden. Ein

Bauset der Einparkhilfe „Park Pilot“ inklusive Steuergerät, Verkabelung und Ultraschallsensoren

ist in Abbildung 33 zu sehen.

Die Einparkhilfe wird beim Einschalten der Zündung des Autos aktiviert, dabei wird direkt ein

Selbsttest der Funktionstüchtigkeit des Systems durchgeführt. Dieser Selbsttest kontrolliert

neben der Funktion des Einparksystems die Sensoren und deren Verkabelung. Tritt ein Fehler in

der gesamten Anlage auf, dann wird diese deaktiviert. Eine akustische und / oder eine optische

Anzeige zeigt den Zustand des Systems an; ein Fehler in der Anlage hat einen Warnton zur

Folge der ungefähr drei Sekunden dauert. Dem Fahrer ist es außerdem möglich das ganze

System der Einparkhilfe auszuschalten. Dies kann beispielsweise bei andauerndem „Stop and

Go“ der Fall sein (bei Geschwindigkeiten unter 15 km/h). Fährt man mit dem Kraftfahrzeug mit

einer Geschwindigkeit unter 15 km/h vorwärts, so sind nur die Ultraschallsensoren in dem

vorderen Fahrzeugbereich in der Frontstoßstange aktiv. Legt man jedoch den Rückwärtsgang

ein, so werden zusätzlich auch noch die Ultraschallsensoren am Heck, also an der hinteren

Stoßstange, aktiviert.

Etwa alle 25 ms findet eine zyklische Ansteuerung der Sensoren statt, diese erzeugen dann einen

Ultraschallimpuls von etwa 1 ms Dauer. Nachdem die Sensoren den Ultraschallimpuls

Sensoren 46

abgestrahlt haben, schalten alle Ultraschallsensoren auf Empfang, um die ausgesendeten

Ultraschallwellen zu „hören“. Der Abstand berechnet sich aus der jeweiligen Laufzeit der

reflektierten Ultraschallwellen vom sendenden Sensor zum empfangenden Sensor. Dem Fahrer

des Kraftfahrzeugs wird über ein Signal der jeweils kürzeste Abstand zwischen Hindernis und

Stoßfänger „mitgeteilt“. In der Abbildung 34 kann man vier Ultraschallsensoren an der

Fahrzeugfront eines PKWs sehen.

Abbildung 34 Ultraschallsensoren am Auto (mit der Ziffer 1 gekennzeichnet).

Abstandsberechnungen

Die Ultraschallsensoren detektieren die Zeitdauer vom Senden des Ultraschallimpulses bis zum

Eintreffen der von dem Hindernis reflektierten Echoimpulse. Entscheidend ist hier immer die

Berechnung des kürzesten Abstands zwischen dem Ultraschallsensor und dem tatsächlichen

Hindernis. Hier geht man nun von zwei verschiedenen Hindernismöglichkeiten aus:

• zum einen von einem ausgedehnten Hindernis, dies kann beispielsweise eine Wand oder

ein Kraftfahrzeug sein. Ist dies der Fall, dann entspricht die kürzeste gemessene

Entfernung auch dem tatsächlichen Abstand. Wenn man die Laufzeit des Echoimpulses te

1 1 1 1

Sensoren 47

und die Schallgeschwindigkeit in Luft mit c bezeichnet, dann ergibt sich für den Abstand

a zum nächsten Hindernis folgende Gleichung:

cta e ⋅⋅=2

1. (2.3)

• zum anderen ein so genanntes „Einzelhindernis“. Dies kann ein Laternenpfahl, ein

Begrenzungsposten oder etwas ähnliches sein. Da an der Fahrzeugfront bzw. am

Fahrzeugheck mehrere Sensoren vorhanden sind und dadurch alle Ultraschallsensoren

„mithören“, wird der Abstand a zwischen Hindernis und Stoßfänger des Autos wie folgt

berechnet:

1) ( ) ²²² baxd =+− (2.4)

2) ²²² cax =+ . (2.5)

Abbildung 35 Abstandsberechnung für ein Einzel- hindernis.

a Abstand Hindernis – Stoßfänger

b Abstand Hindernis – Sendesensor

c Abstand Hindernis – Empfangs-

sensor

d Abstand Sendesensor – Empfangs-

sensor

Die in der Abbildung 35 dargestellte Skizze soll die Abstandsberechnung anschaulich

unterstützen, außerdem sind dadurch zusätzlich die geometrischen Verhältnisse besser

ersichtlich.

Aus der Gleichung 2.5 folgt ²²²²² acxacx −=⇒−= (oder ²² acx −−= ). (2.6)

Setzt man Gleichung 2.6 in Gleichung 2.4 ein:

⇔ ²²)²²²( baacd =+−− (2.7)

⇔ ²²2

²²²ac

d

bcd−=

−+ ( )²/ (2.8)

Sensoren 48

⇔ ²²2

²²²2

acd

bcd−=

−+

2

2

²²²²/

−+−+

d

bcda 2

1

)(/ (2.9)

⇔ 2

2

²²²²

−+−=

d

bcdca oder

−+−−=

2

2

²²²²

d

bcdca . (2.10)

Bei der Rückfahrhilfe kann ein Bereich von ca. 0 cm bis 160 cm hinter dem Kraftfahrzeug

überwacht werden. Dieser Bereich ist in vier Warnbereiche eingeteilt (siehe Tabelle 3).

Bereich Abstand zum

Hindernis in cm

Optische Anzeige Akustische

Signalisierung

I 160...100 Daueranzeige -

II 100...50 Daueranzeige zyklisch unterbrochen

III 50...30 Daueranzeige Dauerton

IV ≤ 30 Anzeige blinkt Dauerton

Tabelle 3 Signalisierung beim Parkpilot [27].

Warum benötigt man Einparkhilfen?

Bei den modernen Karosserien ist die Sicht beim Rückwärtsfahren oftmals eingeschränkt.

Daher sind Hindernisse manchmal nur schlecht und in vielen Fällen überhaupt nicht

erkennbar. Dies trifft besonders auf niedrige Hindernisse, wie beispielsweise Begrenzungs-

steine zu. Auch bei Fahrzeugen mit flacher Motorhaube kann es passieren, dass der Fahrer des

Fahrzeugs manchmal den tatsächlichen Abstand falsch einschätzt. Dadurch wird der

vorhandene Parkraum oft nicht richtig genutzt und Platz für weitere Autos verschenkt. Durch

die Einparkhilfe bekommt der Fahrer den Fahrzeugabstand zum Hindernis signalisiert.

Sensoren 49

2.4 Regensensor

Es gibt verschiedene Arten von Regensensoren, die auf unterschiedliche physikalische Weise

funktionieren. Im Kraftfahrzeugbereich hat sich der Regensensor durchgesetzt, dessen

Messung auf dem Prinzip der Totalreflexion beruht. In diesem Kapitel wird zunächst auf

dessen Arbeitsweise eingegangen. Anschließend werden noch zwei weitere Messmethoden

verschiedener Regensensoren, nämlich zum einen ein Regensensor der mittels Schallmessung

der Regentropfen arbeitet und zum anderen ein Regensensor dem eine kapazitive Messung zu

Grunde liegt, kurz erläutert und beschrieben. Die nachfolgenden Beschreibungen bzw.

Erläuterungen dieses Kapitels sind teilweise aus [25,27,30,31,33].

2.4.1 Anwendung des Regensensors

"An feuchten trüben Tagen bekommt man's von allen Seiten: Aufgewirbeltes Wasser vom

Vordermann oder vom Gegenverkehr, unregelmäßige Regenschauer. Bei diesen Witterungs-

verhältnissen ist volle Konzentration auf das Verkehrsgeschehen gefordert. Aber man ist

ständig mit dem Scheibenwischerhebel beschäftigt. Doch es gibt eine Lösung: Regensensor

XY. Er setzt den Scheibenwischer in Gang sobald feinste Regentropfen die

Windschutzscheibe benetzen. Die Wischfrequenz passt sich der Regenintensität selbständig

an.“ So oder ähnlich könnte eine Werbung für einen Regensensor lauten [33].

Regensensoren haben die Aufgabe die Sichtbehinderung durch Niederschlag auf der

Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs zu ermitteln und ein Signal zur Ansteuerung der

Wischeranlage zu steuern. Schon Ende der sechziger Jahre wurden erstmals

Patentanmeldungen für Sensoren zur Detektion von Niederschlägen auf der Windschutz-

scheibe eingereicht. Erstmals wurde der Regensensor 1994 serienmäßig von Peugeot für das

Modell 406 angeboten. Der Regensensor gehört zu den optischen Sensoren; er dient zur

automatischen Reinigung der Windschutzscheibe und wird je nach Bedarf automatisch

gesteuert. Er ist ein Bestandteil der modernen Komfortelektronik. Fallen Regentropfen auf die

Windschutzscheibe, dann erkennt dies der Regensensor und startet automatisch den Scheiben-

wischerbetrieb. Dadurch wird der Fahrer während der Autofahrt von vielen Handgriffen

entlastet und kann sich dadurch besser auf das Fahren konzentrieren. Bei konventionellen

Scheibenwischersteuerungen für Kraftfahrzeuge wird der Autofahrer durch die Bedienung des

Wischerhebels von dem Geschehen auf der Straße abgelenkt. Bei einer automatisch

gesteuerten Scheibenwischeranlage in Kraftfahrzeugen muss der Fahrer einmalig die

Sensoren 50

Automatik des Wischerbetriebs nach dem Starten des Autos aktivieren und der automatische

Wischerbetrieb ist einsatzbereit.

Abbildung 36 Regensensor am Auto.

Der Regensensor wird am Lenkstockhebel aktiviert (siehe Abbildung 40), dort kann

zusätzlich auch die Empfindlichkeit des automatischen Ansprechverhaltens des Scheiben-

wischers eingestellt werden. Die vielen andauernden manuellen Eingriffe in den

Wischerbetrieb werden also auf einen Griff - nämlich das Starten der Automatik - reduziert.

Der Regensensor befindet sich innen an der Frontscheibe des Autos, meistens direkt hinter

dem Rückspiegel, also außerhalb des Sichtfeldes des Fahrers (siehe Abbildung 36 und 39).

2.4.2 Funktionsweise des Regensensors

Der Regensensor nutzt das Prinzip der Totalreflexion aus und ist folgendermaßen aufgebaut

(siehe Abbildung 37): Er besteht unter anderem aus einer optischen Sende-Empfangsstrecke,

einer Leuchtdiode, einer Empfängerdiode und mehreren Prismen. Am Anfang der Sende-

Empfangsstrecke sitzt eine Leuchtdiode. Von dieser Leuchtdiode wird Infrarotlicht

ausgesendet und mittels einer Linse fokussiert. Zwei lichtstrahlführende Prismen leiten das

Infrarotlicht weiter. Dieses wird nun mit Hilfe einer optischen Ankopplung in die

Sensoren 51

Windschutzscheibe des Autos eingekoppelt. Die optische Ankopplung bzw. die Verbindung

zwischen dem Regensensor und der Frontscheibe erfolgt durch zwei transparente Silikon-

Dichtungsfenster. Die Auflage der beiden Dichtungsfenster an der Frontscheibe und deren

Sauberkeit muss nahezu perfekt sein. An der trockenen Außenseite der Frontscheibe wird der

Lichtstrahl, dessen Stärke bekannt ist, viermal total reflektiert. Der Winkel unter dem das

infrarote Licht in die Windschutzscheibe eingekoppelt wird ist so gewählt, dass dieser Winkel

gleich oder größer dem Winkel der Totalreflexion für den Übergang zwischen Glas und Luft

ist. Es tritt also Totalreflexion ein.

Abbildung 37 Schematischer Aufbau des Regensensors [34].

Nach den vier Totalreflexionen zwischen Scheibenoberfläche und Sensorgehäuse wird der

Lichtstrahl nochmals mittels optischer Ankopplung in den Regensensor überführt. Wiederum

dienen nun zwei lichtstrahlführende Prismen dazu den Lichtstrahl erneut zu lenken. Nachdem

dieser also zweimal mit Hilfe der Prismen gebrochen wurde, wird dieser mit Hilfe einer Linse

und einer dahinter befindlichen Blende fokussiert und trifft letztendlich auf die Fotodiode.

Diese steht am Ende der Sende-Empfangsstrecke und gibt das umgewandelte Spannungs-

signal an die Elektronik des optischen Sensors weiter. Durch die trockene Windschutzscheibe

tritt an dieser Totalreflexion auf und das Infrarotlicht erreicht die Empfängerdiode bzw. die

Fotodiode mit nahezu voller Lichtstärke.

Befinden sich Wassertropfen auf der Windschutzscheibe, so wird ein großer Teil des

Infrarotlichts an dieser gebrochen und dadurch das Empfangssignal an der Fotodiode

geschwächt. Durch die Wassertropfen auf der Windschutzscheibe ändert sich der

Sensoren 52

Medienübergang des Infrarotlichts. Dieses trifft statt auf den Übergang Glas / Luft auf den

Übergang Glas / Wasser. Das infrarote Licht, dass nun mittels des Silikondichtungsfensters in

die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs eingekoppelt wird, erfährt bei Regen statt einer

Totalreflexion eine Brechung (siehe Abbildung 38, rechtes Bild). Dadurch kommt es bei jeder

der vier Totalreflexionen abermalig zur Brechung des Lichtstrahls. An jeder Stelle, an der der

infrarote Lichtstrahl die Scheibenoberfläche der Windschutzscheibe erreicht, wird nun ein

Teil des Lichtstrahls gebrochen und ein anderer Teil reflektiert. Der wiederum reflektierte

Teil des Lichtstrahls wird dann erneut gebrochen etc., dadurch erreicht nur ein Bruchteil des

Infrarotlichts die Fotodiode beziehungsweise die Empfängerdiode. Wenn sich die von der

Fotodiode aufgenommene Lichtmenge verändert, erfasst die Elektronik die Abschwächung

und die Abschwächungsgeschwindigkeit des Signals und schaltet dadurch automatisch den

Scheibenwischermotor an. Die Wischgeschwindigkeit des Scheibenwischers wird von der

Elektronik in Abhängigkeit der Stärke des Regens gesteuert, die reflektierte Lichtmenge dient

also als Steuergröße für die Intervallzeit. Demnach steuert der Sensor in Abhängigkeit von der

„gemessenen" Regenmenge die Geschwindigkeit des Scheibenwischers. Auf plötzliche

heftige Regenschauer oder Gischtfahnen eines LKWs reagiert das Regensensorsystem direkt

mit der höchsten Wischgeschwindigkeit. Je nachdem, ob es also stark regnet oder nur

vereinzelt Regentropfen fallen, steuert die Elektronik die Wischgeschwindigkeit so, dass der

Fahrer die Straße stets gut erkennen kann.

Ist die Frontscheibe des Autos stark verschmutzt, dann schaltet der Scheibenwischer ab einem

bestimmten Grad der Verschmutzung automatisch ein. Der Regensensor besitzt ein interne

Abbildung 38 Skizze des Regensensors ohne und mit Regentropfen [33].

Heizung, die Eis und Beschlag im Erfassungsbereich des Sensors beseitigt. Durch diese

geregelte Beheizung ist es möglich Fehlinterpretationen durch Kondensationsfeuchte

vorzubeugen, da der Messbereich von innen trocken gehalten wird.

Sensoren 53

Der Regensensor ist in etwa so groß wie eine Streichholzschachtel und wird mit Hilfe von

transparenter Klebefolie auf der Frontscheibe des Kraftfahrzeugs befestigt. Die alte

Generation des Regensensors hat, statt wie heute mit Infrarotlicht, mit dem sichtbaren Licht

gearbeitet. Durch die Verwendung des infraroten Lichts ist der Regensensor im geschwärzten

Bereich der Frontscheibe untergebracht, so ist er von außen kaum sichtbar.

Neben dem automatischen Wischerbetrieb bietet der Regensensor noch einige andere

technische Möglichkeiten; er ermöglicht das automatische Schließen von Fenstern und des

Schiebedaches bei Regen. Ist der Regensensor zusätzlich noch mit einem Lichtsensor bzw.

Umgebungslichtsensor ausgestattet, dann kann dieser das Fahrtlicht des Autos steuern. Das

Licht kann nun ohne irgend ein Zutun des Fahrers bei Dunkelheit oder in einem Tunnel

eingeschaltet werden.

Abbildung 39 Regensensor.

Der beschriebene Regensensor7 (siehe Abbildung 39), dessen Messung auf dem Prinzip der

Totalreflexion beruht, ist der meist verwendete Sensor zur Detektion des Niederschlags eines

Kraftfahrzeugs. Er weist unter anderem eine hohe Sicherheit in der Detektion des Regens auf

der Frontscheibe auf und ist durch den Aufbau aus Spritzgussteilen kostengünstig in der

Fertigung. Dieser Regensensor kann einfach ausgetauscht werden und außerdem ist dessen

Montage an der Windschutzscheibe problemlos.

7 Dieser ist in der Offenlegungsschrift DE 198 39 273 A1 beschrieben.

Sensoren 54

Abbildung 40 Regensensor (Fahrzeuginnenraum).

2.4.3 Weitere Arten von Regensensoren

Ein anderer Typ Regensensor nutzt zur Detektion des Niederschlags auf der Windschutz-

scheibe die Schallemission aus. Fällt ein Regentropfen auf eine Oberfläche, dann erzeugt

dieser bei seinem Aufschlag Schall. Der Aufbau dieses Regensensortyps8 sieht

folgendermaßen aus: Grundbestandteile sind unter anderem ein piezoelektrischer

Schallaufnehmer und eine schwingungsfähige Platte. Der piezoelektrische Schallaufnehmer

ist an der schwingungsfähigen Platte befestigt, diese wird an der Scheibenaußenfläche des

Fahrzeugs angebracht. Fallen nun Regentropfen auf diese Platte, dann wird die von den

Regentropfen durch den Aufprall verursachte kinetische Energie in ein impulsförmiges

elektrisches Signal umgewandelt. Die Größe dieses elektrischen Signals ist zum einen

abhängig von der Art des Niederschlags und zum anderen von der Auftreffgeschwindigkeit

des Niederschlags. Bei der Auswertung von diesem Signal ist es also wichtig die

Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu berücksichtigen (was nicht so einfach ist). Ein

weiterer Nachteil von dieser Art des Regensensors ist, dass die Detektion von Niederschlägen

wie beispielsweise Schnee und Tau mit geringer Energie und dadurch geringen Signalstärken

schwierig ist.

8 Dieser Regensensortyp wird zum Beispiel in den Patentschriften DE 39 10 116 C2 oder DE 39 26 175 C1 vorgeschlagen.

1

2

2

1 Lenkstockhebel

2 Regensensor

Sensoren 55

Eine weitere Möglichkeit für die Arbeitsweise eines Regensensors9 bietet die kapazitive

Messung (siehe Abbildung 41). Diese Sensoren bestehen aus zwei Elektroden, die auf die

Windschutzscheibe oder in der Nähe der Windschutzscheibe angebracht sind. Diese

Elektroden messen die Kapazität eines Kondensators, den die Windschutzscheibe und die

beiden Elektroden bilden. Angenommen es befinden sich nun Regentropfen auf der

Windschutzscheibe, dann ändert sich die relative Dielektrizitätskonstante im Feld des

Kondensators.

Abbildung 41 Kapazitiver Regensensor: Interdigitalelektroden (linkes Bild) und Querschnitt durch die Windschutzscheibe (rechtes Bild) [30].

In Zukunft werden Sensoren zur Detektion von Niederschlägen, die mittels einer

Videokamera arbeiten, an Bedeutung gewinnen.

9 In der Offenlegungsschrift DE 44 39 174 A1 wird ein solcher Sensor, der auf eine kapazitive Messung beruht beschrieben

Sensoren 56

2.5 Beschleunigungssensor /Airbagsensor

2.5.1 Messgrößen und Messprinzipien von

Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren [25] werden zum Auslösen von Passagierschutzsystemen (z.B.

Airbags, Gurtstraffern, Überrollbügeln) und zum Erfassen von Kurvenbeschleunigungen und

Geschwindigkeitsänderungen bei vierradgetriebenen Kraftfahrzeugen mit ABS (Antiblockier-

system) oder ESP (Elektronischem Stabilitäts-Programm) eingesetzt.

Die Beschleunigungssensoren messen alle nach dem gleichen Prinzip (dem zweiten

Newton’schen Axiom): Wirkt auf einen Körper mit der Masse m, eine Kraft F

, so erfährt

dieser Körper eine Beschleunigung a

.

amF

⋅= .

Messgröße ist die Beschleunigung a

, die auch oftmals als Vielfaches der Erdbeschleunigung

g angegeben wird (1 g = 2

81,9s

m ).

Typische Beschleunigungswerte für den Passagierschutz im Kraftfahrzeug sind:

- Airbag, Gurtstraffer 50 g

- Überrollbügel 4 g

- Gurtblockierung 0,4 g.

Beim ABS und ESP liegen die Werte im Messbereich zwischen 0,8 g und 1,2 g.

Es gibt verschiedene Arten von Beschleunigungssensoren. In diesem Kapitel werden vier

davon vorgestellt:

• Piezoelektrischer Beschleunigungssensor (Kapitel 2.5.2)

• Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor (Kapitel 2.5.3)

• Piezoresistiver Beschleunigungssensor (Kapitel 2.5.4)

• Mechanischer Beschleunigungssensor (Kapitel 2.5.5).

Danach erfolgt eine Beschreibung des gesamten Airbagsystems mit seinen Komponenten

(Gasgeneratoren, Airbags, Steuergerät, etc.). Es wird außerdem noch auf die genaue Lage des

Beschleunigungssensors im Kraftfahrzeug eingegangen und unter welchen Bedingungen der

Airbag gezündet wird. Kapitel 2.5.2 und 2.5.3 lehnen sich an das Buch von Bosch [25] an.

Sensoren 57

2.5.2 Piezoelektrischer Beschleunigungssensor

Anwendung des piezoelektrischen Beschleunigungssensors

Als piezoelektrische Beschleunigungssensoren eignen sich piezoelektrische Bimorph-

Biegeelemente, d.h. zwei gegensinnig polarisierte piezoelektrische Schichten. Oftmals werden

diese Beschleunigungssensoren auch Zweischicht-Piezokeramiken genannt (siehe Abbildung

42). Der piezoelektrische Beschleunigungssensor wird für Rückhaltesysteme zum Auslösen

der Gurtstraffer, der Airbags und des Überrollbügels des Kraftfahrzeugs verwendet. Der

Beschleunigungssensor ist das erste und entscheidende Element im Falle eines Unfalls, das

die Kettenreaktion auslöst und letztendlich die Zündung der Airbags verursacht.

Es ist für die Sicherheit der Fahrzeugpassagiere entscheidend, dass die Airbags zum richtigen

Zeitpunkt gezündet werden.

Abbildung 42 Piezoelektrischer Beschleunigungssensor [25].

Aufbau und Arbeitsweise des piezoelektrischen Beschleunigungssensors

Das Piezo-Biegeelement bzw. Biegebalken genannt (mit der Nummer 1 in Abbildung 42 und

in Abbildung 43 gekennzeichnet) ist das Kernstück des piezoelektrischen Beschleunigungs-

sensors. Zwei gegensinnig polarisierte piezoelektrische Schichten, die miteinander verklebt

sind, stellen den Biegebalken dar. Der Transversaleffekt des piezoelektrischen Effekts (vgl.

Kapitel 1.4.1.2) findet bei diesem Anwendung, er wird zur Messung der auftretenden

Biegespannungen ausgenutzt. Wirkt auf den Biegebalken eine Beschleunigung, dann wird die

eine Hälfte des Biegebalkens gestaucht und die andere Hälfte gedehnt, dadurch entsteht eine

Sensoren 58

mechanische Spannung (vgl. Abbildung 43, unteres Bild). Aufgrund der gegensinnigen

Polarisation der Piezokeramiken addieren sich die dabei entstehenden Teilspannungen U1 und

U2 der beiden Blättchen zu einer resultierenden Gesamtspannung UA. Diese induzierte

elektrische Spannung UA wird von Elektroden, die an den äußeren Metallisierungsschichten

des Biegebalkens sitzen, abgegriffen.

Es ist keine Metallisierung zwischen den beiden Teilkeramiken nötig. Die Bimorphstreifen

messen ihre eigene Verbiegung. Klebt oder lötet man sie aber beispielsweise auf eine

Metallmembran auf, dann erfassen diese auch die Verbiegung der Metallmembran (z.B. beim

Mikrophon).

Das obere Bild der Abbildung 43 zeigt den piezoelektrischen Beschleunigungssensor im

Ruhezustand, das untere Bild demonstriert eine auf das piezoelektrische Bimorph-

Biegeelement wirkende Beschleunigung a.

Abbildung 43 Biegelement der piezoelektrischen Beschleunigungssensor [25].

Zusammen mit einer ersten Signalverstärkerstufe sitzt die Messzelle des piezoelektrischen

Beschleunigungssensors in einem hermetisch dichten Gehäuse. Manchmal wird die

Sensorzelle durch ein Gel mechanisch geschützt. Der piezoelektrische Beschleunigungssensor

enthält zur Signalaufbereitung eine so genannte Hybridschaltung. Diese Hybridschaltung

besteht aus einem Impedanzwandler, einem Filter und einem Verstärker. Die Aufgabe des

Filters in der Hybridschaltung ist die Ausblendung der hochfrequenten Signalanteile.

Sensoren 59

Wirken auf piezoelektrische Biegeelemente Beschleunigungen, dann verbiegen sich diese

schon auf Grund ihrer Eigenmasse so weit, dass ein Spannungssignal (kein gleich-

spannungsmäßiges Signal) abgegeben wird, das man gut auswerten kann. Die typische

Grenzfrequenz des Signals liegt bei 10 Hz.

Bei den piezoelektrischen Beschleunigungssensoren unterscheidet man zwischen Sensoren für

die senkrechte Montage oder die waagrechte Montage bzw. zwischen Einfachsensoren oder

Doppelsensoren; dies variiert je nach Einbaulage und Richtung der wirkenden

Beschleunigungen. In der Abbildung 42 handelt es sich um einen piezoelektrischen

Doppelsensor für die senkrechte Montage im Kraftfahrzeug.

Sensoren 60

2.5.3 Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor

Anwendung des oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors

Neben den piezoelektrischen Beschleunigungssensoren existieren noch weitere Arten von

Beschleunigungssensoren. Dieser Abschnitt soll den oberflächenmikromechanischen

Beschleunigungssensor mit kapazitivem Abgriff beschreiben. Die oberflächenmikro-

mechanischen Beschleunigungssensoren von Insassen-Rückhaltesystemen haben die Aufgabe

die Beschleunigungswerte eines frontalen Aufpralls oder eines seitlichen Aufpralls zu

erfassen (siehe Abbildung 44). Je nach Schwere des Unfalls und den damit verbundenen

Beschleunigungen bewirken diese Beschleunigungssensoren das Auslösen der Gurtstraffer,

der Airbags und des Überrollbügels im Kraftfahrzeug.

Abbildung 44 Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor [25].

Aufbau und Arbeitsweise des oberflächenmikromechanischen mikromechanischen

Beschleunigungssensors

Diese Beschleunigungssensoren für Passagierschutzsysteme eignen sich sowohl für niedrige

Beschleunigungen als auch für sehr hohe Beschleunigungen in einem Bereich von 50 g bis

100 g. Die oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensoren wurden im Kraftfahr-

zeugbereich zuerst nur für sehr hohe Beschleunigungen verwendet. Die Beschleunigungs-

sensoren haben sehr kleine Abmessungen, die typischen Kantenlängen liegen bei ca. 100 µm

bis 500 µm. Der Sensor befindet sich zusammen mit der Auswerteelektronik bzw. des

Auswertechips in einem wasserdichten Gehäuse (siehe Abbildung 44).

Sensoren 61

Die Sensormesszelle besteht aus einem Feder-Masse-System (siehe Abbildungen 45 und 46).

Die seismische Masse ist mit ihren kammförmigen Elektroden (mit der Ziffer 1 in den

Abbildungen 45 und 46 gekennzeichnet) in der so genannten Messzelle federnd aufgehängt.

Es werden hier zwei verschiedene Arten von kammförmigen Elektroden benutzt, nämlich

solche die frei beweglich sind und solche die fest auf dem Chip installiert sind. Von der

federnd aufgehängten seismischem Masse mit ihren kammförmigen Elektroden ausgehend,

befinden sich zu den beiden Seiten der beweglichen Elektroden kammförmige Elektroden

(mit der Ziffer 3 in den Abbildungen 45 und 46 gekennzeichnet), die fest auf dem Chip

angebracht sind. Durch die Anordnung dieser Kammstruktur, bestehend aus feststehenden

und beweglichen Elektroden, erhält man eine Reihenschaltung von zwei Differential-

Kondensatoren. Die Kapazität der gesamten Kammstruktur beträgt ca. 1 pF. Auf Grund der

beiden festen Elektroden mit jeweilig unterschiedlichen Kapazitäten C1 und C2 sind zwei

Anschlüsse vorhanden. An diese beiden Anschlüsse C1 und C2 werden nun phasenmäßig

entgegengesetzte Wechselspannungen angelegt. Die Überlagerung der beiden Wechsel-

spannungen kann an der seismischen Masse als Messkapazität CM abgegriffen werden. Wirkt

nun auf dieses Feder-Masse-System eine lineare Beschleunigung in Sensierrichtung10, so

ändert sich der Abstand zwischen den freien bzw. beweglichen und den festen Elektroden, da

die seismische Masse in Federn (mit der Ziffer 2 in Abbildung 45 und 46 versehen) gelagert

ist.

Abbildung 45 Kammstruktur der Sensormesszelle [25].

1 federnde seismische Masse

mit Elektrode

2 Feder

3 feste Elektroden

10 Richtung in der die Beschleunigung gemessen wird.

Sensoren 62

Die durch die lineare Beschleunigung a verursachte Änderung des Abstandes zwischen den

feststehenden und beweglichen Elektroden hat folglich auch eine Kapazitätsänderung in den

Kondensatoren C1 und C2 zur Folge. Die Änderung der Kapazität führt wiederum zu einer

Veränderung des elektrischen Signals. Dieses elektrische Signal wird in der

Auswertelektronik verstärkt, gefiltert und digitalisiert und dann an das Airbagsteuergerät

weitergegeben. Aufgrund der geringen Kapazität der Kammstruktur von ca. 1 pF ist die

Auswertelektronik bzw. der Auswertchip entweder zusammen mit dem Sensor auf dem

gleichen Chip integriert oder sehr eng mit diesem verbunden.

Außer der Kompensation für Sensorabweichungen beinhaltet die Auswerteschaltung auch

noch eine Eigendiagnose. Diese Eigendiagnose wird während der Anlaufphase des

Kraftfahrzeugs gestartet, dabei lenken elektrostatische Kräfte die Kammstruktur aus, um

dadurch einen Beschleunigungsvorgang im Fahrzeug zu simulieren.

Abbildung 46 Schema des oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors mit kapazitivem Abgriff [25].

1 federnde seismische Masse

mit Elektroden

2 Feder

3 feste Elektroden mit

Kapazität C1

4 Al- Leiterbahn

5 Bondpad

6 feste Elektroden mit Kapazität

C2

7 Siliziumoxid

a Beschleunigung in Sensier-

richtung

CM Messkapazität

Sensoren 63

Beispiel für einen kapazitiven Beschleunigungssensor

Als Beispiel für einen kapazitiven Beschleunigungssensor [46] ist ein Muster des SMB050D

von der Firma Bosch11 in der Abbildung 47 dargestellt.

Dieser Sensor registriert Beschleunigungen im

Unterschied zu Abbildung 48 nur in x-Richtung. Falls

keine Beschleunigung in dieser Richtung wirkt, so liegt

am Ausgang des Sensors die Spannung VDD/2

(Versorgungsspannung VDD = 5V) an. Eine

Beschleunigung des Sensors in „+a“ - Richtung bewirkt

eine positive Spannungsänderung; ein Bremsvorgang in

dieser Richtung (oder ein Beschleunigungsvorgang in

die entgegengesetzte Richtung) bewirkt eine negative

Spannungsänderung. Befindet sich der Sensor im Kraftfahrzeug mit Pin 1 (siehe Abbildung

48) in „+x“ – Richtung, so wird im Falle eines Frontalaufpralls eine negative Spannungs-

änderung verursacht.

Dieser Beschleunigungssensor findet in Kapitel 3.4.1.6 im Rahmen eines Schülerexperiments

seine Anwendung.

Abbildung 48 Einbaurichtung des Sensors und Spannungssignal im Falle eines Frontalcrashs [46].

2.5.4 Piezoresistiver Beschleunigungssensor

Ein elektronischer Sensortyp [36] nutzt den so genannten piezoresistiven Effekt aus (siehe

Kapitel 1.4.1.4). Eine träge Masse aus Silizium wird mit Hilfe eines dünnen Biegebalkens

aufgehängt. Wird der Sensor beschleunigt, so lenkt die Masse aus Silizium den Biegebalken

aufgrund ihrer Trägheit aus seiner Ruhelage aus. Auf diesem Biegebalken sind

Piezowiderstände aufgebracht (siehe Abbildung 49). Diese Piezowiderstände ändern aufgrund

11 Robert Bosch GMBH, Postfach 1342, 72703 Reutlingen (Mira Nirschl, SPP1, [email protected]).

Abbildung 47 Beschleunigungssensor SMB050D.

Sensoren 64

der entstehenden Spannungen ihren elektrischen Widerstand. Mithilfe dieses Aufbaus lassen

sich die wirkenden Beschleunigungswerte (Verzögerungen) bestimmen.

Abbildung 49 Schematische Darstellung eines piezoresistiven Beschleunigungssensors [37].

2.5.5 Mechanischer Beschleunigungssensor

Eine weitere Möglichkeit einen Airbag auszulösen bietet der mechanische Beschleunigungs-

sensor12 (siehe Abbildung 50) [35]. Dieser Sensor besteht im Wesentlichen aus zwei Halte-

magneten, einer vergoldeten Stahlkugel und zwei Kontakten. Die Stahlkugel wird durch die

zwei Haltemagneten in ihrer Ausgangsposition gehalten. Im Falle eines Crashs,

beispielsweise eines Frontalaufpralls, wirkt auf die Stahlkugel eine Beschleunigung und damit

eine Kraft. Wird eine vorgegebene Verzögerung überschritten, so ist die wirkende

Massenkraft größer als die Magnetkraft. Die Stahlkugel kann durch die beiden Haltemagnete

nicht mehr gehalten werden und prallt somit auf die beiden elektrischen Kontakte. Durch das

Schließen der Kontakte wird der Stromkreis zum Gasgenerator geschlossen und der Airbag

gezündet.

Abbildung 50 Mechanischer Beschleunigungssensor [35].

12 Solch ein mechanischer Beschleunigungssensor kann in der Schule auch aufgebaut werden, eine Realisierung dieses Beschleunigungssensors ist in [45] zu finden.

Sensoren 65

2.5.6 Das Airbagsystem

Geschichte des Airbags

Ein Airbag - auch Prallkissen genannt - (englisch; wörtlich übersetzt Luftsack) ist ein

automatisch aufblasbares Kissen, das bei einem Verkehrsunfall die Insassen eines Fahrzeugs

vor Verletzungen schützen soll [37]. Soweit nicht anders gekennzeichnet folgt dieses Kapitel

[26,35].

Die Idee, die Fahrzeuginsassen bei Unfällen vor Verletzungen zu schützen, wurden schon in

einigen frühen Patentschriften beschrieben. Dort findet man unter anderem ein Patent, das

eine Vorrichtung patentiert, die automatisch das Wagendach des Fahrzeuges öffnet, damit die

Fahrzeuginsassen nicht im Fahrzeug zu Schaden kommen. Wiederum eine andere Erfindung

schloss automatisch das Wagendach, damit die Fahrzeuginsassen nicht heraus geschleudert

wurden. Die Erfinder des Insassenschutzes konnten sich also nicht so ganz einigen. Ein

weiterer Vorschlag war ein am Fahrzeughimmel befestigtes Netz, das sich beim Crash

schützend über die Passagiere werfen sollte [39]. Vor 1951 gab es noch einige Patent-

anmeldungen für die Insassen-Schutzsysteme mit luftgefüllten Körpern. Erstmals wurde die

Idee des Airbags von dem Münchner Walter Linderer (Patentschrift Nr. 89 6312 Klasse 63c

Gruppe 70) beschrieben (siehe Abbildung 51). Walter Linderer meldete seine Idee am 6.

Oktober 1951 in Deutschland zum Patent an. Dort heißt es: "Gemäß der Erfindung wird vor

dem Sitz der zu schützenden Person ein aufblasbarer Behälter in zusammengefalteten Zustand

montiert, der sich im Falle der Gefahr automatisch oder durch willkürliche Auslösung

aufbläht, so dass die betreffende Person bei einem Zusammenstoß gegen diesen weichen,

elastischen Behälter geschleudert wird, wo sie keine Verletzung erleidet..." [35].

Abbildung 51 Originalzeichnung aus dem Patent von Walter Linderer [38].

Sensoren 66

Walter Linderer wollte mit Hilfe eines Pressluftsystems den Airbag möglichst schnell

aufpumpen. Der Kontakt für dieses Pressluftsystem sollte entweder in der Stoßstange des

Autos oder vom Fahrer selbst ausgelöst werden, in der Hoffnung, dass der Fahrer möglichst

schnell reagiert. Versuche die in den Sechziger-Jahren durchgeführt wurden, zeigten dass die

Druckluft die Säcke nicht schnell genug aufblasen konnte.

Das erste serienmäßig mit einem Airbag ausgerüstete Fahrzeug auf der Fahrerseite lief 1980

vom Band; das Fahrzeug war von Mercedes- Benz (S-Klasse) [39].

2.5.6.1 Funktionsweise des Airbagsystems

Abbildung 52 Airbagkomponenten.

Das Airbagsystem besteht aus mehreren Komponenten (siehe Abbildung 52). Deren

Aufgaben und der Aufbau des gesamten Airbagsystems sollen in diesem Teil des Kapitels

erklärt werden.

Fahrermodul und Beifahrermodul

Das Fahrermodul befindet sich mit der gesamten Airbageinheit, bestehend aus dem

Topfgenerator, dem Airbag und der Abdeckkappe mit der Sollreißnaht, im Lenkrad (siehe

Abbildung 53). Das Fahrermodul ist folgendermaßen aufgebaut: Hinter der Abdeckkappe mit

der Sollreißnaht befindet sich der Airbag und dahinter der Topfgasgenerator. Das geringe

Baumaß für das Fahrermodul wird unter anderem durch den sehr kompakt gefalteten Airbag

ermöglicht. Der Airbag auf der Fahrerseite besitzt ungefähr ein Volumen von 35 bis 45 Litern

(Euroairbag). Wird der Airbag gezündet, dann reißt die Abdeckkappe an der Sollreißnaht auf

und der Airbag wird durch das Füllgas aufgeblasen. Die Huptasten befinden sich in den

Lenkradspeichen außerhalb des Fahrermoduls.

Airbagkomponenten

Fahrermodul

Airbag

Topfgasgenerator

Beifahrermodul

Airbag

Rohrgasgenerator

Steuergerät

Beschleunigungssensoren

Auswerteelektronik

Diagnoseeinheit

Ausfallwarnlampe

Sensoren 67

Das Beifahrermodul sitzt in der Armaturenbrettverkleidung (siehe Abbildung 54). Der Aufbau

des Beifahrermoduls ist mit dem Aufbau des Fahrermoduls vergleichbar. Hinter der

Abdeckkappe mit der Sollreißnaht befindet sich der Airbag und der Rohrgasgenerator. Durch

die wesentlich größere Fläche auf der Beifahrerseite hat der Airbag ein Volumen von ca. 66

bis 100 Litern (Euroairbag). Bei einer Airbagzündung reißt auch hier die Sollreißnaht auf der

Abdeckkappe auf und gibt dadurch den Weg für den sich füllenden Airbag frei.

Abbildung 53 Fahrermodul [26].

Abbildung 54 Beifahrermodul [26].

Sensoren 68

Der Gasgenerator

Die Aufgabe des Gasgenerators ist das Aufblasen des Airbags. Der Gasgenerator enthält einen

Festtreibsatz in Tablettenform auf Basis von Natriumacid (NaN3). Dieser pyrotechnische

Treibsatz brennt explosionsartig ab und setzt dabei eine große Menge von Treibgas frei,

dadurch ist ein schnelles Füllen des Airbags gewährleistet. Außerdem enthält er einen

Brückenzünder mit Zündpille und einen Metallfilter. Es gibt zwei verschiedene Arten von

Gasgeneratoren und zwar ein Topfgasgenerator (siehe Abbildung 55) und ein Rohrgas-

generator (siehe Abbildung 56), wobei der Topfgasgenerator auf der Fahrerseite angebracht

wird und der Rohrgasgenerator auf der Beifahrerseite Anwendung findet.

Bei einem Crash passiert folgendes: Der Sensor im Steuergerät aktiviert den elektrischen

Brückenzünder und die Zündpille leitet die Verbrennung des Festtreibstoffes ein. Der Airbag

wird mit dem entstehenden Stickstoff aufgefüllt, das durch den Metallfilter gereinigt und

gekühlt wird. Dadurch wird der Fahrer bzw. Beifahrer vor dem Aufprall auf dem Lenkrad

bzw. dem Armaturenbrett geschützt und somit mögliche Unfallfolgen gemildert.

Abbildung 55 Schnitt durch den Topfgasgasgenerator [26].

Der Rohrgasgenerator ist analog zum Topfgasgenerator aufgebaut. Er besteht aus einem

Gehäuse mit Austrittsöffnungen für das Treibgas. Direkt unter dem Gehäuse sitzt der

Metallfilter. Im Innern des Rohrgasgenerators befindet sich die Zündladung, die die

Verbrennung des Treibstoffes einleitet. Um diese Zündladung herum sind die so genannten

Acidpillen verteilt.

Sensoren 69

Abbildung 56 Rohrgasgenerator [40].

Der Airbag / Der Luftsack

Das Airbagmaterial ist ein Polyamidgewebe oder Nylon, also eine spezielle Kunstfaser, die

kreuzweise verwebt wird um diesen enormen Belastungen stand zu halten. Im Inneren des

Luftsacks befinden sich so genannte Fangbänder, die dem Airbag nach dem Aufblasen die

Form eines Kissens geben. Der Airbag variiert je nach Anwendungsfall in der Größe. Im

Gegensatz zum Euroairbag umfasst der US-Airbag ein Volumen von 60 bis 75 Litern, der auf

der Beifahrerseite ein Volumen von 100 bis 150 Litern. Der Airbag besitzt mehrere

Auslassöffnungen auf der für den Fahrzeuginsassen abgewandten Seite. Die Bewegungs-

energie beim Eintauchen der Oberkörper der Fahrzeugsinsassen wird durch das gleichmäßige

Ausströmen des Airbag-Füllgases abgebaut.

Neben dem Fahrer-Airbag und dem Beifahrer-Airbag existieren noch weitere Airbagsysteme.

Es gibt Seitenairbags für vorne und hinten, Kopfairbags, Knie-Airbags, Fußairbags,

mehrstufige Airbagsysteme und intelligente Airbagsysteme mit Sitzpositionserkennung.

Das Steuergerät

Das Steuergerät beinhaltet die Beschleunigungssensoren bzw. die Beschleunigungs-

aufnehmer, die Auswerteelektronik und die Diagnoseeinheit (siehe Abbildung 58). Das

Steuergerät ist das so genannte Gehirn des gesamten Airbagsystems, es ist meistens zentral

angeordnet, d.h. auf dem Tunnel im vorderen Fußbereich. Diese zentrale Anordnung bzw.

dieser zentraler Einbauort bietet zum einen eine geschützte Lage im Fahrzeuginneren und

zum anderen wird eine einfache Leitungsverlegung und dadurch eine für das System optimale

Sensoranwendung ermöglicht. Neben der zentralen Anordnung des Steuergeräts existiert noch

eine weitere Möglichkeit der Anordnung, nämlich die sogenannte dezentrale Anordnung. In

Sensoren 70

der Abbildung 57 sind zwei Varianten der Sensorenanordnung zu sehen, zum einen eine

zentrale Anordnung der Sensoren und zum anderen eine dezentrale Anordnung der Sensoren.

Abbildung 57 Zwei Varianten der Sensorenanordnung im Fahrzeug [35].

1 Beschleunigungssensor

(Crashsensor)

2 Airbag-Elektronik oder

Auslöselektronik

3 Warnlampe

4 Fahrer-Airbag

5 Beifahrer-Airbag

6 Energiereserve und

Safing- Sensor

Zur Erfassung der tatsächlichen Fahrzeugverzögerung dient ein elektronischer Be-

schleunigungssensor. Außer dem Beschleunigungssensor befindet sich noch ein zusätzlicher

elektromechanischer Safing-Sensor im Steuergerät. Der Safing-Sensor dient dazu

Fehlauslösungen der Elektronik zu vermeiden. Nur wenn sich der Crashsensor und der

Safing- Sensor gleichzeitig für eine Zündung entscheiden wird der Airbag gezündet.

Die Aufgabe der Diagnoseeinheit ist es die gesamte Elektronik zu überwachen und mögliche

auftretende Fehler über die Ausfallwarnlampe anzuzeigen. Beim Einschalten der Zündung

erfolgt der Lampentest, dieser kann bis zu 3 s dauern; dabei leuchtet die Lampe. Ist kein

Fehler im System, dann erlischt diese.

Im Falle eines Unfalls bewertet ein Mikroprozessor das Crashgeschehen anhand des Be-

schleunigungssignals des Beschleunigungssensors (Crashsensors). Dieser entscheidet anhand

eines Rechenprogramms (gespeicherte Daten von Crashversuchen werden mit den aktuellen

Verzögerungswerten verglichen), ob der Airbag ausgelöst werden soll oder nicht. Jeder

Sensor eines Airbagsystems ist jeweils genau auf den Fahrzeugtyp und auf das

Fahrzeugmodell abgestimmt. Falls sich ein Unfall ereignet und die Verzögerungswerte sind

hoch genug, so wird durch das abgegebene Signal des Beschleunigungssensors ein Zündstrom

ausgelöst, der über eine Leitung zum Gasgenerator gelangt: Der Airbag wird ausgelöst. Es

werden nur Beschleunigungen mit Hilfe des Rechenprogramms ausgewertet, die etwa das

Sensoren 71

vierfache der Erdbeschleunigung übersteigen. Beim Anfahren des Autos oder bei leichtem

Bremsen darf der Airbag auf keinen Fall ausgelöst werden.

Abbildung 58 Steuergerät (im vorderen Fußbereich) [26].

Der Safing-Sensor (Sicherheitssensor)

Dieser Sensor dient zur Absicherung der Elektronik gegen Fehler und Fehlauslösungen. Er

wird auch als Reedkontakt beschrieben (siehe Abbildung 59). Es handelt sich hierbei um

einen mechanischen Sicherheitsschalter; dieser Schalter ist im Normalzustand bzw. in der

Ausgangsposition geöffnet. In einem Glasröhrchen, dass mit Inertgas gefüllt ist, befindet sich

der Reedkontakt. Im Falle eines Unfalls, z.B. eines Frontalcrashs bei dem die vorgegebenen

Verzögerungswerte überschritten werden, bewegt sich ein Ringmagnet gegen eine Feder in

Richtung des Reedkontaktes und dadurch wird dieser geschlossen. Ist dieser Sicherheits-

schalter geschlossen, dann ist eine Airbagauslösung möglich. Aber nur wenn die Auslöse-

elektronik des Steuergeräts von beiden Sensoren (Beschleunigungssensor und Safing-Sensor)

gleichzeitig Signale erhält, dann wird der Airbag gezündet. Der Beschleunigungssensor und

der Safing-Sensor befinden sich beide im Steuergerät.

Abbildung 59 Safing-Sensor (Sicherheitssensor) [35].

1 Ringmagnet

2 Reedkontakt

3 Feder

4 Glasröhrchen

5 Inertgasfüllung

Sensoren 72

Wann löst der Airbag aus?

Der Airbag ist ein zusätzliches Sicherheitssystem; die maximale Schutzwirkung des Airbag-

Systems kann nur durch das Anlegen des Sicherheitsgurts und durch eine richtige Sitzposition

erreicht werden. Zusammen mit den Sicherheitsgurten bietet der Airbag den Fahrzeuginsassen

bei einem Frontalaufprall bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 100 km/h bis 120 km/h gute

bis sehr gute Überlebungschancen. Das Airbagsystem wird aufgrund von Längs-

verzögerungen, die bei einem Frontalunfall in einem Winkelbereich von ca. 30° zur

Fahrzeuglängsachse auftreten, gezündet. Der Airbag wird erst ausgelöst, wenn das Erreichen

einer vorgegebenen negativen Beschleunigung von etwa 4 g bei einem Crash erreicht wird.

Die Auslöseschwelle des Airbags liegt oberhalb von 25 km/h bis 30 km/h; optimal ist die

Zündung der Airbags erst ab 25 km/h. Die Auslösung des Airbags ist also abhängig vom

Winkel des Aufpralls und von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges.

Der Wirkungsbereich des Frontairbag-Systems (Fahrerairbag und Beifahrerairbag) und des

Seiten-Airbag-Systems sowie des Kopf-Airbag-Systems ist in der Abbildung 60 dargestellt.

Der Fahrerairbag und der Beifahrerairbag lösen bei Seiten- und Heckkollisionen oder reinen

Überschlagsunfällen nicht aus. Im Falle eines solchen Unfalls bzw. Crashs wirken die

angelegten Sicherheitsgurte oder die anderen Airbagsysteme wie Seitenairbag, Window-

Airbag und Kopfairbag [41]. Der Ablauf eines Airbagsystems ist im Anhang Kapitel 4.3 zu

finden.

Abbildung 60 Auslösebereiche der verschiedenen Airbagsysteme [35].

Experimente zu Sensoren im Auto 73

Kapitel 3:

Experimente zu „Physik im Auto: Sensoren“

3.1 Experimente für die Schule

Nachdem im Kapitel 1 die physikalischen Hintergründe zu den Experimenten

(Ultraschallsensor, Regensensor, Airbagsensor) beschrieben und erklärt wurden, das Kapitel 2

sich mit Sensoren allgemein und den Sensoren im Auto befasst hat, soll Kapitel 3 auf

Experimente hinweisen, die besonders gut in Schülerpraktika realisiert und durchgeführt

werden können. Die Versuche „Der Ultraschallsensor“, „Der Regensensor“ und „Der

Airbagsensor“ sind für ein Schülerpraktikum konzipiert und wurden so schon mehrfach

eingesetzt (siehe Kapitel 4.1). Der folgende Teil soll Lehrer-/innen beim Aufbau und der

Durchführung dieser Experimente in der Schule helfen, Lehrern und Schülern Anregungen

geben, wobei sie durch Arbeitsblätter unterstützt werden. Durch eine detaillierte

Beschreibung der jeweiligen Experimente und deren Durchführung soll der Zeitaufwand für

die Unterrichtsvorbereitung möglichst gering gehalten werden. Diese Experimente sind

außerdem kostengünstig und größtenteils mit Hilfe von schulischen Mitteln realisierbar.

Den Schüler/-innen sind die Sensoren und deren Anwendungen (beispielsweise die

Einparkhilfe) aus dem alltäglichen Leben bekannt und somit kann man darauf zurück greifen.

Die Klassen sind durch die Neuartigkeit dieser Themen zusätzlich motiviert und das Interesse

an dem Fach Physik wird besonders geweckt.

Zunächst soll jeweils der Aufbau der Experimente (z.B. des Ultraschallsensors) im

Vordergrund stehen. Dann wird auf die für diesen Versuch benötigten Materialien, die

Versuchsvorbereitungen, die Versuchsdurchführungen, die Versuchsergebnisse und

Analogien zwischen Realität und Experiment und schließlich auf den Einsatz im

Physikunterricht mit Hinsicht auf den Lehrplan eingegangen.

Anhand der Experimente sollen physikalische Grundlagen aufgezeigt und dadurch ein Bezug

zwischen Realität und Physikunterricht hergestellt werden. Im Anhang befinden sich die

Arbeitsblätter zu diesen Experimenten, die vom Lehrer direkt kopiert und im Unterricht

eingesetzt werden können.

Die Versuche „Der Ultraschallsensor“ (Kapitel 3.2), „Der Regensensor“ (Kapitel 3.3) sowie

„Der Airbagsensor/Beschleunigungssensor“ (Kapitel 3.4) lehnen sich an eine Versuchsidee

von B. Eckert, W. Stetzenbach, H.-J. Jodl [42] an.


3.2 Experiment Ultraschallsensor

3.2.1 Aufbau des Ultraschallsensors

3.2.1.1 Materialien

Um den Ultraschallsensor oder auch Ultraschall-Abstandwarner genannt aufzubauen werden

folgende Materialien benötigt:

Bausatz für Ultraschall-Abstandwarner (Elektronik Conrad)

9 V Batterie und Batterieclip (Elektronik Conrad)

Legoauto (LEGO- Steine und Bausteine/Materialien von LEGOTECHNIK)

Maßband, Geodreieck (Lineal)

Verschiedene Platten: Kunststoff, Holz, Styropor, Schaumstoff,

Baumwollstoff, Pappe (ca. 63,4 cm x 39,5 cm)

Holz- oder Metallbilderrahmen (ca. 64 cm x 39,8 cm)

Schrauben und Muttern (Größe M3)

Klebeband

Der Bausatz für einen Ultraschallsensor (Ultraschall-Abstandwarner) und der Batterieclip sind

im Elektronik-Fachhandel erhältlich. Wenn der Ultraschallsensor fertig gelötet ist (siehe dazu

Kapitel 3.2.1.2) wird er auf ein Legoauto montiert. Dabei ist es wichtig, dass die Platine des

Ultraschallsensors senkrecht auf dem Legoauto steht, denn sonst trifft der ausgesendete

“Ultraschall“ nicht senkrecht auf die Platte und “qualitative“ Messungen sind nicht möglich.

Die senkrechte Position der Platine auf dem Legostein gelingt am besten, wenn man die

Platine mittels Schrauben und Muttern an einem Legostein befestigt. Dieser Legostein kann

dann einfach und variabel auf das Legoauto gesteckt werden (vgl. Abbildung 61).

Der Holz- oder Metallbilderrahmen soll mit Hilfe von Schrauben und Muttern senkrecht zum

Tisch befestigt werden, dazu ist der Tischanfang oder das Tischende am besten geeignet

(siehe Abbildung 68). Holz- oder Metallbilderrahmen können fast beliebig groß gewählt

werden, die angegebenen Maße sind also nur eine mögliche Größe. Ein kleinerer

Bilderrahmen (ca. 30 cm x 20 cm) ist für dieses Experiment ebenso gut einsetzbar. Die

minimal vorgeschlagenen Maße für Holz- oder Bilderrahmen bzw. die verschiedenen

Plattengrößen sind: 21 cm x 30 cm. Holz- oder Metallbilderrahmengröße und die Größe der

verschiedenen Platten sind also je nach Vorhandensein in der Physiksammlung oder im

Haushalt zu wählen.


Der Holz- oder Metallbilderrahmen dient später dazu die verschiedenen Platten variabel

auszutauschen. Zusätzlich ist es mit dem Bilderrahmen leichter die Platten senkrecht zu

halten. Wenn man keinen Tisch zur Verfügung hat an den ein Bilderrahmen angeschraubt

werden kann, muss man den Rahmen mit Halterungen links und rechts am Tisch befestigen.

Hier muss auch wieder darauf geachtet werden, dass die Platte die als Reflektor dient

senkrecht zum Tisch steht.

Abbildung 61 Ultraschall-Abstandwarner mit Legoauto13.

3.2.1.2 Bauanleitung des Ultraschallsensors

Der Bausatz für den Ultraschallsensor (Ultraschall-Abstandwarner) kann im Elektronik-

Fachhandel (z.B. bei Conrad Electronic GmbH für ca. 9,95 €) erworben werden. Zusätzlich

benötigt man noch eine 9 V Batterie und einen zugehörigen Batterieclip.

Die Platine muss noch mittels Löten mit den Bauelementen (Widerstände, Transistoren, LED,

etc.) bestückt werden [43]. Beim Löten ist es einfacher, wenn man erst die kleinen Bauteile

und danach die großen Bauteile auf die Platine lötet. Hierbei sollte auf die Polarität der

13 Die Maße des Legoautos sind 12,2 cm x 8,8 cm x 7,4 cm.


einzelnen Bauteile geachtet werden. Bei Dioden (die Kathode ist durch einen Ring markiert)

sowie bei Leuchtdioden (der kürzere Anschlussdraht ist die Kathode) und

Elektrolytkondensatoren (Pfeilrichtungen auf Elkos zeigt zur Anode) muss auf die Polarität

geachtet werden. Bei den Widerständen und den Kondensatoren spielt die Polarität beim

Löten keine Rolle; bei den Transistoren ist es wichtig, wie herum man die „Beinchen“ der

Transistoren auf die Platine lötet14.

Beim IC (Integrated Circuit) sollte darauf geachtet werden, dass die „Beinchen“ nicht mit der

Hand o.ä. berührt werden um eine statische Aufladung zu vermeiden, am besten benutzt man

zum Halten des ICs eine Zange. Da die beiden Ultraschallmikrophone US1 und US2 die

größten Bestandteile dieser Schaltung sind werden diese als letztes auf die Platine gelötet15.

Abbildung 62 Bild des Ultraschallsensors.

Außer dem Elektronik-Lötkolben benötigt man Lötzinn und eine Zange zum Löten. Nachdem

die Platine fertig bestückt ist wird nun der Batterieclip (ca. 40 Cent bei Conrad Electronic

GmbH) an der Platine festgelötet; Plus und Minus-Anschlüsse müssen dabei beachtet werden.

Jetzt benötigt man nur noch die 9 V Batterie um den Ultraschallsensor in Betrieb zu nehmen.

Bei der ersten Inbetriebnahme sollte darauf geachtet werden, dass sich innerhalb eines

Βereichs von zwei Metern keine Gegenstände vor den Ultraschallmikrophonen befinden. Die

Batterie wird mit Hilfe des Batterieclips an dem Ultraschallsensor befestigt (siehe Abbildung

62). Das Potentiometer P2 wird als erstes bis zum Anschlag nach rechts gedreht. Als zweites

wird dann das Potentiometer P1 so eingestellt, dass die LED (Light Emitting Diode; D2)

leuchtet. Das Potentiometer P1 soll jetzt so weit zurück gedreht werden bis die LED gerade

14 Die Transistoren sind auf einer Seite abgerundet und dadurch sind Kollektor, Basis und Emitter besser zu erkennen. Rundung auf der rechten Seite, d.h. ganz oben Kollektor und dann folgen Basis und Emitter. 15 Bei den beiden Ultraschallmikrophonen ist darauf zu achten, dass diese mit einem kleinen Abstand zur Platine aufgelötet werden.


ausgeht. Mit Hilfe eines kleinen Schraubenziehers kann man an dem Potentiometer P2 nun

die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors einstellen. Mit dem Ändern der Empfindlichkeit

variiert der Abstand zum Hindernis bei dem die LED aufleuchtet. Wenn sich das Legoauto

mit dem Ultraschallsensor einem Hindernis nähert fängt die LED bei höher eingestellter

Empfindlichkeit des Potentiometers P2 früher an zu leuchten als bei niedrig eingestellter

Empfindlichkeit.

3.2.1.3 Funktionsweise des Ultraschallsensors

Zunächst wird erläutert, welchen physikalischen Effekt dieser Ultraschallsensor (Ultraschall-

Abstandwarner) benutzt und anschließend wird anhand der Schaltung die Arbeitsweise näher

erklärt [44].

Der Ultraschall-Abstandwarner arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Ultraschall-Echo-

Ortung der Fledermäuse (siehe dazu auch Kapitel 1.2.3). Der Ultraschall-Abstandwarner, der

unter anderem aus zwei Ultraschallmikrophonen (US1, US2) besteht, nutzt den Effekt der

“akustischen“ Rückkopplung aus. Das Ultraschallmikrophon US1, das als Empfänger dient,

wird durch das Hintergrundrauschen - die Geräusche in unserer Umgebung - in seiner

Resonanzfrequenz angeregt und sendet dann ein Signal an den Sender US2 , der wiederum

das Signal auf seiner Resonanzfrequenz empfängt. Dieser Sender US2 sendet nun

Ultraschallwellen aus. Wenn sich jetzt in der Reichweite des Ultraschall-Abstandwarners ein

Gegenstand befindet beziehungsweise ein Hindernis steht, werden die Ultraschallwellen an

diesem reflektiert, die der Ultraschallempfänger registriert. Die LED (D2) leuchtet auf. Der

Ultraschallempfänger gibt das von ihm aufgefangene Signal wieder an den Sender weiter,

dieser sendet Ultraschallwellen aus. Man spricht von einer Rückkopplung durch die eine

Schwingung zu Stande kommt. Bei Musikfestivals oder Konzerten tritt diese Erscheinung in

Form von akustischer Rückkopplung zwischen Lautsprecher und Mikrophon in Form eines

lästigen Pfeifens manchmal auf. Da die Arbeitsweise aus der Schaltung nicht klar ersichtlich

ist soll diese nun anhand des Schaltbildes des Ultraschallsensors (siehe Abbildung 64) erläutet

werden.

Das Kernstück des Ultraschall-Abstandwarners stellen die beiden Ultraschallmikrophone

(US1, US2) dar (siehe Abbildung 63). Sobald sich ein Gegenstand oder ein Körper in deren

Reichweite - nämlich zwischen 10 cm bis 80 cm - befindet, leuchtet die LED (D2) auf. In den

Ultraschallmikrophonen befinden sich kleine Keramikplättchen die auf ähnliche Weise

funktionieren wie ein Quarzkristall. Wird an dieses Keramikplättchen ein elektrisches


Wechselfeld angelegt, so führt dieses mechanische Schwingungen aus; diese werden über die

Luft als Ultraschall in die Umgebung abgestrahlt. Dieser Effekt wird indirekter oder

reziproker piezoelektrischer Effekt genannt der im Kapitel 1.5.1.3 ausführlicher beschrieben

ist.

Abbildung 63 Bild des Ultraschallsensors.

Das Ultraschallmikrophon US2 ist der Empfänger, US1 ist der Sender. Der zweistufige

Transistorverstärker T2 / T3 wird mit Hilfe des Potentiometers P2 auf maximale Emp-

findlichkeit eingestellt. Jegliches Umfeldgeräusch regt nun US2 an und zwar auf seiner

Resonanzfrequenz, da US2 dort seine höchste Empfindlichkeit besitzt. Der Empfänger des

Ultraschallsensors US2 gibt das von ihm empfangene Signal an den zweistufigen

Transistorverstärker T2 / T3 ab. Dieser Verstärker arbeitet mit automatischer Vorspannungs-

erzeugung, d.h. der Basisstrom wird über einen Vorwiderstand (R5 bzw. R6) direkt vom

Kollektor abgenommen.

Am Kollektor T2 befindet sich also das Signal von US2, das verstärkt wurde; dieses

verstärkte Signal reicht nun aus um den Sender US1 zu aktivieren. An US1 wird dadurch ein

elektrisches Feld angelegt, welches wiederum das kleine Keramikplättchen zum Schwingen

anregt. Der Ultraschallsender US1 sendet “Ultraschall“ aus. Dieses Ultraschallsignal wird nun

an einem Hindernis bzw. einem Körper reflektiert und vom Empfänger des Ultraschallsensors

registriert, über den zweistufigen Transistor T2 / T3 verstärkt und weitergeleitet und aktiviert

wiederum den Sender US1. Durch die unmittelbare Rückkopplung zwischen US1 und US2

entsteht eine Schwingung die erst beendet wird, wenn kein Gegenstand / Körper mehr als

Reflektor zwischen den beiden Sensoren vorhanden ist. Mit dem Transistor T1 ist es möglich

eine Schwelle einzustellen um festzulegen, ab wann die LED (D2) leuchten soll. Die

Reichweite des Ultraschall-Abstandwarners ist auch noch vom Reflektor abhängig. Bei

großen flachen Gegenständen, die als Reflektor dienen ist die Reichweite des Geräts größer


als bei kleinen oder unebenen Körpern an denen der Ultraschall reflektiert wird. Der andere

Teil der Schaltung dient dazu das Signal am Kondensator C1 abzugreifen und es dann durch

D1 (eine Doppeldiode) gleichzurichten um ein Gleichspannungssignal zu erhalten und dann

damit die LED (D2) zum Leuchten zu bringen.

Abbildung 64 Schaltbild des Ultraschallsensors [44].

Abschließend ist festzustellen, dass man die Arbeitsweise des Ultraschall-Abstandswarners

mit der Ultraschall-Echo-Ortung der Fledermäuse (siehe dazu auch Kapitel 1.2.3) vergleichen

kann. Zwar benötigt der Ultraschallempfänger US2 ein „Geräusch des Umfeldes“ um mit der

„Schwingung“ zu beginnen, aber dann wird ein Ultraschallimpuls vom Sender US1

ausgesendet, am Hindernis reflektiert und vom Empfänger US2 wieder registriert.

Die wichtigsten technischen Daten des Ultraschall-Abstandwarners im Überblick:

Betriebsspannung: 9 - 12 V Gleichspannung; (Stromaufnahme < 10mA)

Arbeitsfrequenz: ca. 40 kHz (Resonanzfrequenz der Mikrophone US1 und US2)

Reichweite: ca. 10 cm - 80 cm (abhängig von der Körpergröße und der Einstellung des

Transistors T1)

Anzeige bzw. Signal über eine LED (D2)

Größe der Platine: ca. 55 mm x 45 mm


3.2.1.4 Versuchsvorbereitung

In diesem Versuch soll das Grundprinzip eines Ultraschallsensors gezeigt und erläutert

werden. Am Versuchstisch ist ein Metallrahmen befestigt, in den man verschiedene Platten

unterschiedlicher Materialien (Kunststoff, Holz, Styropor, Schaumstoff, Baumwollstoff,

Pappe) hineinstecken kann (siehe Abbildung 65 und Abbildung 68). Für den ersten Teil des

Experiments soll die Kunststoffplatte benutzt werden; dazu wird diese in den Metallrahmen

gesteckt. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Kunststoffplatte senkrecht zur

Tischoberfläche steht, ansonsten kann man sie mit Hilfe von Klebeband am Rahmen

befestigen.

Abbildung 65 Skizze des Versuchsaubaus des Ultraschallsensors (schematisch).

Das Auto mit dem Ultraschallsensor soll immer senkrecht zum befestigten Rahmen (bzw. der

Platte) bewegt werden. Zusätzlich ist es wichtig, dass sich direkt hinter dem Metallrahmen mit

Kunststoffplatte keine weiteren Gegenstände befinden, da die Messergebnisse sonst verfälscht

werden16. Um Messungen durchzuführen befestigt man mit Hilfe eines Klebebandes ein

Maßband auf dem Tisch (50 cm bis 80 cm lang, maximale Reichweite des Abstandwarners).

Zum Starten des Experiments steckt man die an einem Legostein befindliche Platine auf das

Legoauto und schließt die 9 V Batterie mittels des Batterieclips an den Ultraschallsensor an.

Damit die Batterie nicht bei jeder Bewegung vom Legoauto hinunter fällt, kann man diese mit

Klebeband am Auto befestigen. Es ist sinnvoll nach Beendigung des Experiments die Batterie

vom Gerät (Ultraschallsensor) abzunehmen damit sich diese nicht unnötig entlädt. 16 Es ist also nicht möglich den Tisch in die Nähe einer Wand zu stellen und die als Reflektoren dienenden Materialien (Baumwolle, Kunststoff etc.) daran zu befestigen.


3.2.1.5 Versuchsdurchführung

Nach den Versuchsvorbereitungen und dem Zurechtlegen aller Materialien kann das

Experiment beginnen. Das Legoauto mit dem darauf befestigten Ultraschallsensor wird auf

dem Tisch langsam in Richtung des Metallrahmens - zunächst mit eingeschobener Kunst-

stoffplatte - bewegt.

Man beobachtet, dass die LED mehrfach aufleuchtet und wieder ausgeht. Bewegt man das

Legoauto weiter, wechselt stetig die Leuchtintensität der LED von Null auf maximale

Intensität. Mit abnehmender Entfernung zwischen Hindernis und Legoauto nimmt die

Intensität bzw. die Helligkeit der LED insgesamt zu; je größer der Abstand zum Hindernis

desto geringer leuchtet die LED. Außerdem kann man beobachten, dass die LED erst ab

einem gewissen Abstand Platte / Auto leuchtet. Dieser Abstand soll nun im Folgenden als

kritischer Abstand bezeichnet werden. Wie bereits im Kapitel 3.2.1.2 beschrieben, ist es

möglich am Potentiometer P2 die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors einzustellen. Je

nachdem wie das Potentiometer P2 eingestellt ist ändert sich der kritische Abstand zum

Hindernis. Ist eine hohe Empfindlichkeit eingestellt worden, so leuchtet die LED schon ab

einer größeren Entfernung vor dem Hindernis als bei einer niedrig eingestellten

Empfindlichkeit.

Wie kann man sich erklären, warum die LED einmal leuchtet und dann wieder nicht?

Der Ultraschallsensor sendet in der Nähe eines Hindernisses Ultraschallwellen aus, diese

werden wiederum am Hindernis reflektiert. Es kommt zu einer Überlagerung dieser

Ultraschallwellen (konstruktive und destruktive Interferenz), deshalb gibt es Stellen an denen

die Intensität null ist - die so genannten Minima - und es gibt Stellen an denen die annähernd

maximale Intensität der LED – so genannte Maxima - erreicht wird; man spricht von einer

stehenden Welle.

Warum nimmt die Intensität der LED insgesamt bei immer geringer werdendem Abstand

Legoauto - Platte zu? Je kürzer die Entfernung zwischen dem Legoauto und dem Hindernis

ist, umso mehr Ultraschallwellen können den Empfänger erreichen. Bei zunehmender

Entfernung zwischen der Kunststoffplatte und dem Legoauto nimmt die

„Trefferwahrscheinlichkeit“ ab, die Intensität der LED ist also schwächer.

Wie kommt es zu dem kritischen Abstand? Ab einer gewissen Entfernung zwischen Legoauto

und Platte erreichen die Ultraschallwellen, die vom Ultraschallsender gesendet wurden, den


Empfänger des Ultraschallsensors nicht mehr, deshalb leuchtet die LED ab einem gewissen

Abstand - dem so genannten kritischen Abstand - nicht mehr.

Folgende Messungen / Berechnungen müssen durchführt werden:

1. Der kritische Abstand (akritisch) wird mit dem Lineal oder Maßband für verschiedene

Materialien (Kunststoff, Holz, Styropor, Schaumstoff, Baumwollstoff und Pappkarton)

bestimmt.

2. Der Abstand zweier Minima bzw. zweier Maxima voneinander wird ebenso mit Hilfe

des Lineals und des Maßbandes ermittelt (Abstand zwischen zwei Minima / Maxima:

d). Da der Abstand zweier Minima bzw. zweier Maxima nur wenige Millimeter

beträgt, ist es sinnvoll den kompletten Abstand einer größeren Anzahl von Maxima

bzw. Minima (z.B. zehn Minima) zu messen und dann die durchfahrene Strecke durch

die Anzahl der Maxima / Minima zu teilen.

3. Die Ultraschallwellenlänge λU und somit die Frequenz des Ultraschallsensors fU

können berechnet werden.

Abbildung 66 soll diesen Sachverhalt erklärend unterstützen. Zwischen dem Legoauto und

der Kunststoffplatte baut sich eine stehende Welle auf. Der Abstand zwischen zwei Maxima

oder Minima ist gerade eine halbe Wellenlänge.

Abbildung 66 Stehende Welle.

Die Ultraschallwellenlänge λU berechnet sich also mit:

dU ⋅= 2λ . (3.1)


Die Frequenz des Ultraschallsenders fU berechnet sich mit:

U

U

cf

λ= . (3.2)

λU ist hier die Ultraschallwellenlänge und c die Schallgeschwindigkeit in Luft. Die

Schallgeschwindigkeit c beträgt bei einer Zimmertemperatur von 20°C ungefähr 344 m/s

(berechnet mit Formel 3.3); diese lässt sich mit folgender Formel berechnen [2]:

s

m

C

tc

°+= 6,06,331 (3.3)

In der Formel 3.3 entspricht t der Temperatur in °Celsius. Den errechneten Wert für die

Frequenz des Ultraschallsenders fU kann man nun mit dem Wert der Frequenz, den die

Bauanleitung des Ultraschallsensors angibt, vergleichen. Die Frequenz des Ultraschallsensors

beträgt ca. 40 kHz. Hier könnte man noch über eventuelle Messfehler wie beispielsweise die

Ungenauigkeit beim Ablesen des Lineals diskutieren.

Der am Tisch befestigte Metallrahmen ist auswechselbar, wie schon in der

Versuchsvorbereitung angemerkt ist. Für dieses Experiment stehen nun weitere Materialien,

an denen die Ultraschallwellen reflektiert werden können zur Verfügung (Kunststoff, Holz,

Styropor, Schaumstoff, Baumwollstoff, Pappkarton). Die Materialien im Metallrahmen

werden ausgetauscht und Messungen durchgeführt. Der Abstand zweier Minima wird jeweils

zweimal bestimmt und dann wird aus den zwei Werten der Mittelwert d gebildet. Hier wird

wie vorher schon beschrieben der komplette Abstand einer größeren Anzahl von Maxima

bzw. Minima gemessen und dann die durchfahrene Strecke durch die Anzahl der Maxima

bzw. Minima geteilt, da der Abstand zwischen beiden nur wenige Millimeter beträgt. Die

Ultraschallwellenlänge in der Luft und die Ultraschallfrequenz werden nur für den Mittelwert

berechnet. Die gemessenen und berechneten Werte sind in der Tabelle 4 eingetragen.

Der kritische Abstand akritisch wurde mehrmals ausgemessen und dann aus den einzelnen

Werten der Mittelwert gebildet. Bei mehrmaligen Messungen wies der Wert des kritischen

Abstands bei Pappkarton große Schwankungen auf. Vergleicht man nun die Werte von

härteren Materialien mit den eher weicheren Materialien hinsichtlich des kritischen Abstands

so fällt auf, dass bei härteren Materialien wie beispielsweise bei Kunststoff die LED schon

einige cm (ca. 5 cm) früher aufleuchtet als etwa bei Holz bzw. Pappkarton. Qualitativ gesehen

(LED leuchtet am längsten auf) ist der Favorit die Platte aus Kunststoff, danach kommen die

Platten aus Holz und Pappkarton, danach das Styropor und schließlich der Baumwollstoff und

der Schaumstoff. Beim Schaumstoff hat die LED nur ein einziges Mal (ca. 2 cm bis 3 cm vor

dem Hindernis) aufgeleuchtet, dies liegt an der porösen Struktur des Schaumstoffs. Ein großer


Material akritisch

[cm]

(kritischer

Abstand)

d1 [cm]

(Abstand

zweier

Maxima)

d2 [cm]

(Abstand

zweier

Maxima)

d [cm]

(Abstand

zweier

Maxima)

λU [cm]

(Ultraschall-

Wellenlänge)

fU [kHz]

(Ultraschall-

frequenz)

Kunststoff 53,4 0,48 0,43 0,46 0,92 37,4

Holz 48,35 0,46 0,43 0,45 0,9 38,2

Styropor 39,4 0,45 0,46 0,46 0,92 37,4

Schaumstoff - - - - - -

Baumwollstoff 11,85 0,48 0,44 0,46 0,92 37,4

Pappkarton 48,6 0,47 0,43 0,45 0,9 38,2

Tabelle 4 Gemessene und berechnete Werte.

Anteil der einfallenden Strahlung wird an der unregelmäßigen Oberflächenstruktur diffus

gestreut. Bei straffer Spannung des Baumwollstoffes hat die LED in diesem Versuch bei ca.

12 cm das erste Mal geleuchtet. Die Größe des kritischen Abstands hängt von der

Beschaffenheit und der Ebenheit der Oberfläche der jeweiligen Platten ab; die Styroporplatte

beispielsweise hatte eine sehr grobe und unebene Oberflächenstruktur, diese bietet den

ankommenden Ultraschallwellen keine so gute Reflexionsmöglichkeit wie etwa die

Kunststoffplatte. Der Abstand akritisch hängt außerdem noch mit der Einstellung des

Potentiometers P2 zusammen. Je höher der eingestellte Wert von P2 ist, desto höher ist die

Intensität der Ultraschallstrahlung und somit die Reichweite des Sensors.

Im Prinzip sollte der Abstand d zweier Minima / Maxima bei allen verwendeten Materialien

übereinstimmen, da die Wellenlänge der Ultraschallstrahlung unabhängig vom reflektierten

Material ist. Die Frequenz des Ultraschallsensors liegt bei ca. 40 kHz (nach der

Betriebsanleitung); aus der Tabelle 4 kann man einen errechneten Frequenzbereich ablesen,

der zwischen 37,4 kHz und 38,2 kHz liegt, was im Rahmen der Fehlertoleranz ist.

Folgende Fehler können beim Experimentieren auftreten: Der Ultraschallsensor wurde nicht

parallel zur Platte bewegt, die Platte war eventuell nicht senkrecht aufgestellt, Ablesefehler

bei Lineal und Geodreieck und die Batterie war vielleicht fast leer und dadurch wurde mit

veränderter Betriebsspannung gearbeitet. Dieses sind alles Gründe für unterschiedliche

Ergebnisse.


Abbildung 67 Schiefe und unebene Flächen.

In dem nächsten Versuch (siehe Abbildung 67) soll ausprobiert werden, was passiert, wenn

die von dem Auto ausgesandten Ultraschallwellen nun nicht wie bisher auf eine senkrechte

Fläche treffen sondern auf:

- eine schiefe Fläche (einen schiefen Gegenstand)

- eine unebene Fläche (einen unebenen Gegenstand)

- einen Stab (Pfosten)

- und andere Gegenstände.

Bei einer schiefen Fläche, beispielsweise einem kleinen Holzbrett, werden je nach Winkel des

Bretts mit der Tischplatte viele oder gar keine Ultraschallwellen registriert (LED leuchtet oder

LED leuchtet nicht). Dies hängt mit dem Reflexionsgesetz zusammen (Einfallswinkel=

Ausfallswinkel). Sobald der Winkel α (siehe Abbildung 65) kleiner ist als 90° nimmt die

Intensität der reflektierten Ultraschallwellen am Empfänger ab. Ab einem kritischen Winkel

leuchtet die LED nicht mehr auf. Eine unebene Fläche verringert ebenso die Intensität der

reflektierten Ultraschallwellen am Empfänger des Sensors, da durch die unebene Fläche die

Wellen in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Runde Gegenstände, wie

beispielsweise Gläser und Flaschen, reflektieren auch im Vergleich zu einer ebenen Fläche

weniger Ultraschallstrahlung zum Sensor zurück, d.h. der kritische Abstand verringert sich

auch hier. Gegenstände wie zum Beispiel Bleistifte, Kugelschreiber etc. werden durch den

Ultraschallsensor aufgrund ihrer kleinen Größe nicht registriert (LED leuchtet nicht), da

Sender und Empfänger nicht gleichzeitig abgedeckt werden.

3.2.1.6 Versuchsergebnis

Der Versuch basiert im Wesentlichen auf dem Prinzip der stehenden Welle, daher spielen die

Reflexionseigenschaften der verwendeten Materialien eine wichtige Rolle. Man stellt bei

diesem Versuch fest, dass die Reflexion der Ultraschallwellen entscheidend von der

reflektierenden Oberfläche der Materialien abhängig ist. Mit dem Aufleuchten der LED des


Ultraschallsensors kann man dies relativ gut überprüfen. Je nachdem, welche Oberflächen-

struktur die unterschiedlichen Materialien aufweisen, variiert akritisch. Bei glatten ebenen

Oberflächen ist der kritische Abstand relativ groß, hingegen bei unebenen oder gebogenen

Oberflächen ist der Wert von akritisch kleiner. Auch Materialeigenschaften können den

kritischen Abstand beeinflussen.

Die Messung des Abstandes d zwischen zwei Minima bzw. Maxima erweist sich als relativ

schwierig, da es sich bei diesem um wenige Millimeter (ca. 4 mm) handelt. Hierbei ist es

sinnvoll die über einen großen Bereich von mehreren Zentimetern auftretenden Minima bzw.

Maxima zu zählen. Ein weiteres Problem ist, dass oftmals die Intensitätsschwankung so

gering ist, dass eine Unterscheidung zweier aufeinanderfolgender Minima bzw. Maxima

schwer fällt.

Im Vergleich zwischen Realität und Experiment ist festzuhalten, dass es beim realen

Ultraschallsensor nicht zur Ausbildung von stehenden Wellen kommt. Dort werden alle am

Auto (z.B. an der Fahrzeugfront) befindlichen Ultraschallsensoren zyklisch angesteuert. Diese

senden einen Ultraschallimpuls aus und schalten danach direkt auf Empfang um; dadurch

kann es nicht zu einer stehenden Welle kommen. Weiterhin ist bei diesem Experiment zu

beachten, dass man mit diesem Versuchsaufbau keinen Abstand zum nächstliegenden

Hindernis bestimmen kann. Außerdem ist anzumerken, dass der Ultraschallsensor im

Kraftfahrzeug Sender und Empfänger zugleich ist. Bei diesem Schülerexperiment ist dies

nicht der Fall, man arbeitet mit einem Sender und einem Empfänger.

3.2.1.7 Didaktische Bemerkungen zu diesem Versuch und Vergleich mit

dem Lehrplan

Didaktische Bemerkungen

Es gibt nun vielfache Möglichkeiten Experimente mit diesem Ultraschallsensor im Unterricht

oder im Schülerpraktikum durchzuführen (siehe Abbildung 68). Für ein Schülerpraktikum

wurden Arbeitsblätter mit Aufgaben erstellt, die die Schüler/-innen in kleinen Gruppen durch

freies Experimentieren lösen können. Wenn sich keine Zeit für ein Schülerpraktikum findet ist

es auch möglich, dass der Lehrer oder ein engagierter Schüler das Experiment vorführt; die

Klasse versucht dann gemeinsam die gemachten Beobachtungen zu erläutern und zu erklären.

Darauf kann dann eine ganze Unterrichtseinheit aufgebaut werden und alle möglichen

physikalischen Hintergründe wie beispielsweise Reflexion von Wellen, Interferenz von

Wellen, stehende Wellen, Erzeugung von Ultraschall, Piezoeffekt etc. besprochen werden.


Innerhalb der Klassendiskussion ist es ganz hilfreich sinnvolle Beobachtungen und Fragen der

Schüler/-innen wie beispielsweise: „Warum nimmt die Intensität der LED insgesamt bei

immer geringer werdendem Abstand Legoauto / Platte zu?“ oder „Warum leuchtet die LED

einmal und dann wieder nicht?“ an der Tafel zu notieren und danach gemeinsam nach

möglichen Lösungen zu suchen.

Eine weitere Alternative bietet die Einteilung der Klasse in mindestens vier Gruppen; eine

Gruppe führt das Experiment durch (mit Hilfe des Arbeitsblattes), eine andere Gruppe

beschäftigt sich mit der Erzeugung von Ultraschall, die nächste Gruppe mit den theoretischen

Hintergründen (Reflexion von Wellen, Interferenz von Wellen, stehende Wellen) und eine

weitere Gruppe mit der Elektronik, die hinter diesem Experiment steckt. Eine

Unterrichtsstunde dient dann der Vorbereitung, die beiden anschließenden Stunden der

Präsentation der einzelnen Gruppen.

Manchmal haben die Schüler Schwierigkeiten beim Ausmessen der Maxima und Minima. Es

ist dann hilfreich, ihnen den Tipp zu geben den kompletten Abstand einer größeren Anzahl

von Maxima bzw. Minima (z.B. zwanzig Minima) zu messen und dann die durchfahrene

Strecke durch die Anzahl der Maxima / Minima zu teilen. Außerdem ist es geschickter bei der

Messung des Abstandes zwischen zwei Maxima bzw. Minima darauf zu achten, dass die

Empfindlichkeit am Potentiometer P2 sehr gering eingestellt ist und / oder dass man nicht so

nahe an den Platten misst. In beiden Fällen kann man dann zwischen den Maxima bzw.

Minima aufgrund der geringeren Intensität der LED besser unterscheiden. Bei sehr hoher

Intensität (z.B. sehr dicht an der Platte) leuchtet die LED so stark, dass man zwischen Minima

und Maxima nur sehr schlecht unterscheiden kann.

Die Mittelwertbildung eines Wertes wird durch diesen Versuch nochmals wiederholt. Das

Besondere an diesem Experiment ist, dass den Schüler/-innen die Einparkhilfe aus dem

alltäglichen Leben bekannt ist und man somit darauf zurück greifen kann. Der hohe

Alltagsbezug macht das Experiment interessanter und die Schüler sind dadurch zusätzlich

motivierter. Die Schüler/-innen lernen Sachen aus ihrer täglichen Umgebung besser zu

verstehen und sind bei neuartigen Dingen wesentlich wissbegieriger. Alltagsbezug haben

zwar auch andere physikalische Versuche, aber hier handelt es sich um das AUTO – das

Lieblingsspielzeug von Kindern, das Objekt, von dem viele Mädchen wie Jungen in dem

Alter träumen.


Abbildung 68 Das Experiment „Der Ultraschallsensor“.

Vergleich mit dem Lehrplan

In der Mainzer-Studienstufe (MSS) ist der Lehrplan in einen Pflichtbereich und in mehrere

Wahlpflichtbausteine unterteilt (siehe Kapitel 4.4). In dem Ultraschallexperiment sind

folgende physikalischen Aspekte bzw. Grundlagen mit eingebunden: Interferenz und

Reflexion von Wellen, stehende Wellen, Ultraschall und seine Entstehung sowie die

Ausbreitung von Ultraschall. Wenn man sich nun den Lehrplan der Mainzer-Studienstufe

genauer anschaut, findet man folgendes: Im Grundkurs ist der Baustein „Wellen“

verpflichtend und dadurch müssen also Grundlagen wie Reflexion und Interferenz von

Wellen, stehende Wellen etc. behandelt werden. Außerdem findet sich im Lehrplan der MSS

für die Grundkurse noch der Wahlpflichtbaustein „Akustik“. Mit diesem Experiment könnte

man also den Baustein „Wellen“ und den Wahlpflichtbaustein „Akustik“ miteinander

verbinden. Im Leistungskurs hat man im Pflichtbereich den Baustein „Mechanische Wellen“

und den Wahlpflichtbaustein „Akustische Wellen“. Dieses Experiment, der Ultraschallsensor,

deckt also einige Teile des Lehrplans ab und ist somit besonders gut im Physikunterricht

einsetzbar. Einerseits unterstützt das Experiment den Lehrplan und bietet gleichzeitig relativ

großen Alltagsbezug.


3.2.1.8 Weiterer Experimentiervorschlag

Um der Einparkhilfe im Auto etwas näher zu kommen, sollte ein Piezosummer an den

Ultraschallsensor angeschlossen werden, der jeweils den kritischen Abstand mittels eines

Pieptons angibt (analog zur Einparkhilfe im Auto). Da die LED aber nicht ganz aus dem

Aufbau verschwinden sollte wurde ein kleiner Sockel gebaut in dem wahlweise die LED oder

der Piezosummer eingesteckt werden können. Dieser Versuch schlug leider fehl, der

Piezosummer gab keinen Ton von sich; anscheinend bekam er nicht genug Strom. Die zweite

Idee, an den Ultraschallsensor ein Relais anzuschließen und dieses mit dem Piezosummer zu

verbinden, hatte Erfolg.

Abbildung 69 Ultraschallsensor mit Relais und Piezosummer.

Um dieses Experiment zu realisieren benötigt man den Ultraschallsensor (aus Kapitel 3.2.1)

mit der 9V-Batterie, den Relais-Bausatz17 Nummer B197 (z.B. bei Conrad Electronic GmbH

für ca. 3,99 €) , einen 100 Ω Widerstand, einen 5 V-Piezosummer und eine 5V-Zener-Diode.

Der Bausatz der Relaiskarte wird aufgebaut und dann wie in der Schaltskizze an den

Ultraschallsensor gelötet (Abbildung 70). Die Relais-Platine wurde (wie der Ultraschall-

sensor) an einem Legostein befestigt, damit man diese nachher variabel auf das Legoauto

stecken kann (bzw. auch vom Legoauto nehmen kann).

17 Bausatz “Relaiskarte 12 V = “, Artikelnummer: 190 363 –ZA (Elektronik Conrad).


Abbildung 70 Schaltskizze von Piezosummer.

Befestigt man nun den Ultraschallsensor und das Relais mit dem Piezosummer am Legoauto

und bewegt dieses auf ein Hindernis zu, so leuchtet ab dem kritischen Abstand die LED und

gleichzeitig erklingt ein Piepton. Nun ist es möglich mittels der LED ein optisches und mit

dem Piezosummer ein akustisches Signal zu erzeugen, das den kritischen Abstand zum

jeweils nächstgelegenen Hindernis aufzeigt (siehe Abbildung 69).

Auch die Minima bzw. Maxima, die durch die Überlagerung der Ultraschallwellen an

Hindernissen entstehen, sind durch das Klicken des Relais und den Piezosummer hörbar.

Durch einen zusätzlich eingebauten kleinen Schalter am Ultraschallsensor kann man die

9 V Batterie ein- und ausschalten. Nun ist das ständige Abnehmen und Aufstecken der

Batterie vom Batterieclip nicht mehr notwendig.


3.3 Experiment Regensensor

3.3.1 Aufbau des Regensensors

In diesem Versuch soll das Grundprinzip eines Regensensors gezeigt und erläutert werden.

Bei dem Regensensor nutzt man die Brechung des Lichts aus. In diesem Experiment

verwendet man im Wesentlichen einen Laserpointer, einen halbkreisförmigen Plexiglaskörper

und eine Fotodiode, die mit Kabeln an ein Spannungsmessgerät angeschlossen ist. Alle

Gegenstände werden an einer Magnettafel befestigt (siehe Abbildung 71). Der Laserpointer

wird so angebracht, dass sein Licht im Grenzwinkel der Totalreflexion oder oberhalb dieses

Winkels auf den Halbkreiskörper fällt. Das Licht wird total reflektiert und trifft auf die

Fotodiode, die sich genau im Ausfallswinkel des einfallenden Lichts befindet. Wenn man auf

den Plexiglaskörper Wassertropfen träufelt, dann wird das Laserlicht nicht mehr total

reflektiert sondern gebrochen. Nur noch ein kleinerer Teil des Lichts trifft auf die Fotodiode,

dadurch stellt man am Spannungsmessgerät einen Spannungsabfall fest.

Abbildung 71 Versuchsaufbau Regensensor.

Neben der Funktionsweise des Regensensors werden außerdem noch physikalische

Grundlagen wie das Brechungsgesetz, die Totalreflexion etc. angesprochen bzw. behandelt.


3.3.1.1 Materialien

Um den Regensensor aufzubauen werden folgende Materialien benötigt:

• Magnettafel

• Laserpointer

• Verschiedene Plexiglaskörper (Halbkreiskörper, rechteckiger Körper)

• Fotodiode

• Spannungsmessgerät

• Kabel

• Plastikspritze oder Pipette

• Klebeband

• Baumwolltuch oder Küchenrolle

• Winkelschablone und magnetisches Klebeband (magnetische Klebepunkte).

Die Fotodiode, die beispielsweise im Elektronikfachhandel Conrad erhältlich ist, soll in

diesem Experiment das Licht des Lasers empfangen. Um Streulicht zu vermeiden ist es am

besten, wenn sich die Fotodiode am Ende eines kleinen Röhrchens befindet und dadurch fast

nur das Laserlicht empfängt. Steht solch ein Röhrchen in der Schulsammlung nicht zur

Verfügung, dann kann man sich so etwas auch selbst bauen. Ein möglicher Aufbau wäre der

folgende: Man benötigt ein kleines Stück Rohr (rund oder vierkant), das an einem Ende mit

einem kleinen Schraubverschluss mit BNC-Anschluss verschließbar ist; auf diesen

Schraubverschluss kann man dann die Fotodiode auflöten. In der Abbildung 72 handelt es

sich um ein Vierkant-Aluminiumrohr mit den Maßen 60 mm x 12 mm x 12 mm. Das

Durchgangsloch bzw. das Kernloch beträgt 8,8 mm18.

Abbildung 72 Fotodiode mit Gehäuse.

18 Es wurde das folgende Gewinde benutzt: Gewinde 3/8 Zoll 32 G (G = Gang) .


Ein Bild der Winkelschablone befindet sich im Anhang dieser Arbeit und kann dadurch direkt

vom Lehrer in dieser Größe oder vergrößert kopiert werden. Es ist ganz nützlich die kopierte

Winkelschablone einzuschweißen oder zu laminieren, damit sie länger hält und nicht durch

das Wasser aufgeweicht wird. Damit die Winkelschablone besser an der Magnettafel haftet

kann man auf die Rückseite magnetisches Klebeband befestigen. Ist dies nicht vorhanden

kann man die Winkelschablone auch mit Klebeband an der Tafel befestigen. Genauso kann

man auch mit dem Laserpointer verfahren - entweder befestigt man an diesem magnetisches

Klebeband oder macht ihn mit Hilfe von Klebeband an der Magnettafel fest. Bei diesem

Aufbau wurden für die Halterung der Winkelschablone magnetische Abziehbildchen

(Aufkleber) verwendet. Damit der Laserpointer auf Dauerbetrieb bleibt kann man den

Einschaltknopf mit einem Stück Klebeband fixieren.


Als erstes wird die Winkelschablone an der Magnettafel befestigt und zwar so, dass sich die

90° Linie waagrecht auf der Magnettafel befindet. Als zweites wird dann der

halbkreisförmige Plexiglaskörper an die Magnettafel auf der Winkelschablone derart

angebracht, dass die flache Seite des Plexiglaskörpers waagrecht liegt. Später soll nämlich auf

diese flache Seite Wasser geträufelt werden, dass nicht direkt ablaufen darf. Nun wird der

Laserpointer an der Magnettafel angebracht (siehe Abbildung 73). Der Laserpointer muss so

an der Tafel befestigt werden, dass das von ihm ausgesandte Licht auf die waagrechte Seite

des Plexiglaskörpers trifft und dort gerade total reflektiert wird.

Abbildung 73 Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 1).


Es ist besonders beim Schülerexperiment darauf zu achten, dass der Laser kein Spielzeug ist

und dass der Laserstrahl nicht ins Auge gelangen darf, da er die Netzhaut verletzen kann!


Der erste Teil des Versuchsaufbaus ist nun fertig, bevor der ganze Aufbau vollendet wird

kann man mit Hilfe dieses Versuchsaufbaus einige physikalische Grundlagen erarbeiten.

Zunächst bietet es sich an den Winkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas - Luft

auf unterschiedliche Arten zu bestimmen und anschließend die Ergebnisse untereinander zu

vergleichen. Als erstes kann man den Winkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas -

Luft mit Hilfe des Lasers, des Plexiglaskörpers und der Winkelschablone (Winkelscheibe)

bestimmen. Um diesen Winkel zu erhalten muss der Laser so an der Tafel befestigt werden,

dass das von ihm ausgesendete Licht gerade unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf

die waagrechte Seite des Plexiglaskörpers trifft. Durch die Winkelscheibe kann man den

Grenzwinkel der Totalreflexion direkt ablesen; für den experimentell bestimmten

Grenzwinkel der Totalreflexion (Plexiglas- Luft) erhält man 42°.

Als zweite Möglichkeit den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas - Luft

zu bestimmen, bietet sich die rechnerische Bestimmung mit Hilfe des Brechungsgesetzes an.

Das Brechungsgesetz lautet (siehe Kapitel 1.3.2):

1

2

2

1

sin

sin

n

n=

α

α. (3.4)

Wobei α1 der Einfallswinkel und α2 der Brechungswinkel ist, n1 der Brechungsindex

im Medium 1 (dies ist hier Plexiglas) und n2 der Brechungsindex im Medium 2 ist (dies ist

hier Luft). Der absolute Brechungsindex von Luft (bei 20°C) beträgt nL ≈ 1 und bei Plexiglas

(bei 20°C) nP = 1,50 – 1,52 [2] . Aus der Gleichung 3.4 folgt:

5,1

000292,1

90sin

sin==

° P

LG

n

nα ⇒

5,1

000292,1sin =Gα ⇒

=

5,1

000292,1arcsinGα

Der rechnerisch bestimmte Grenzwinkel der Totalreflexion αG (Plexiglas - Luft) beträgt 41,8°.

Die dritte Möglichkeit diesen Grenzwinkel zu bestimmen bietet ein Diagramm (siehe

Abbildung 74), aus dem man unter anderem den Grenzwinkel der Totalreflexion für den

Übergang Plexiglas - Luft bestimmen (Luft / Plexiglas entspricht x-Achse / y-Achse) kann.


Anschließend ist es möglich den experimentell bestimmten Grenzwinkel und den errechneten

Grenzwinkel mit dem Grenzwinkel Plexiglas - Luft, den man aus dem Diagramm ablesen

kann, zu vergleichen. Man gehe von der Annahme aus, dass das Plexiglas dem Glas im

Diagramm entspricht.

Abbildung 74 Diagramm für Einfalls- und Brechungswinkel [32].

Bei der Benutzung des oben stehenden Diagramms muss man darauf achten, ob der

Lichtstrahl vom optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium geht oder

umgekehrt. Zur Darstellung der drei Grenzwinkel wird eine kleine Tabelle angefertigt, in der

man die Ergebnisse der Winkel besser vergleichen kann (siehe Tabelle 5).

Experimentell bestimmter Grenzwinkel 42°

Rechnerisch bestimmter Grenzwinkel 41,8°

Grenzwinkel Diagramm 42°

Tabelle 5 Grenzwinkel der Totalreflexion (Plexiglas- Luft).

Anhand der Tabelle kann man feststellen, ob richtig abgelesen und gerechnet wurde. Man

kann Theorie und Praxis, die experimentelle Bestimmung und die Berechnung des Winkels

miteinander vergleichen und damit beides auf seine Richtigkeit überprüfen. Wenn der

experimentelle Wert vom berechneten Wert stark abweicht kann man Fehler wie Ablese-

fehler, falsche Einstellungen etc. erörtern.


Nachdem der Grenzwinkel der Totalreflexion eindeutig bestimmt und errechnet ist, kann man

sich nun nochmals näher mit der Totalreflexion beschäftigen; hier könnten unter anderem

Fragen wie: „Wann tritt Totalreflexion überhaupt auf (vgl. Kapitel 1.3.3)?“, „Ist die

Totalreflexion des Lichtes von der Form des reflektierenden Körpers abhängig (geht es nur

bei dem halbkreisförmigen Körper)?“, geklärt und erläutert werden.

Wenn man mehrere Plexiglaskörper außer dem halbkreisförmigen zur Verfügung hat, dann

kann man zeigen, dass die Totalreflexion unabhängig von der Form eines „Körpers“ ist (vgl.

Abbildung 75). Totalreflexion tritt immer beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch

dünneren Medium auf.

Abbildung 75 Totalreflexion am rechteckigen Plexiglaskörper.

Nun soll der bisherige Aufbau erweitert werden, es folgt der zweite Teil des Aufbaus. Für die

weitere Versuchsdurchführung ist es besser, wenn der Raum etwas abgedunkelt wird, damit

die Fotodiode fast nur die Intensität des reflektierten Lichtbündels empfängt.

Abbildung 76 Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 2).

Nachdem der Laserpointer und der Plexiglaskörper an die Magnettafel angebracht wurden,

soll nun die Fotodiode an der Magnettafel befestigt werden, z.B. mit Klebeband (siehe

Abbildung 76). Die Fotodiode wird benötigt um die Lichtintensität des reflektierten

Lichtbündels zu bestimmen, diese wird an ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Hierbei ist


es gut sowohl im Schülerexperiment als auch im Lehrerexperiment ein großes analoges

Spannungsmessgerät (Analog-Demo-Multimeter bzw. Drehspulinstrument) zu benutzen, so

ist der Ausschlag des Zeigers für jedermann sichtbar und jegliche Spannungsveränderungen

sind gut zu erkennen. Das Wasser kann mit Hilfe einer Plastikspritze (z.B. aus einem

Krankenhaus) oder einer Pipette auf die flache Seite des Plexiglaskörpers aufgeträufelt

werden.

Nachdem der Aufbau für den Regensensor komplett ist kann man weiter experimentieren.

Dazu muss der Laserpointer erneut angeschaltet werden und man muss dann versuchen, dass

das Lichtbündel des Lasers unter dem Winkel der Totalreflexion durch den Plexiglaskörper

tritt und auf die Fotodiode fällt. Nun ist es möglich das Absinken der Photospannung, sobald

sich Wasser auf dem Plexiglaskörper befindet, am Spannungsmessgerät abzulesen und zu

erklären. Hierbei ist es wichtig, dass man versucht den maximalen Spannungswert zu

erreichen, indem man eine möglichst große Lichtmenge auf die Fotodiode fallen lässt. Die

Fotodiode muss so angebracht sein, dass das reflektierte Lichtbündel des Lasers vollständig

auf diese fällt. Hier gilt das Reflexionsgesetz: der Einfallswinkel ist gleich dem

Ausfallwinkel. Anhand der Winkelscheibe und der Anwendung des Reflexionsgesetzes ist die

Anbringung der Fotodiode leicht lösbar.

An einer Stelle der flachen Seite des Plexiglaskörpers trifft das Lichtbündel auf, dort sollen

nun mit Hilfe der Spritze Wassertropfen aufgeträufelt werden, wobei das Spannungsmessgerät

beobachtet werden soll. Diese Messung kann beispielsweise dreimal wiederholt werden und

nach den Messungen der Mittelwert gebildet werden. In der Tabelle 6 sind die gemessenen

Spannungswerte eingetragen.

Versuchsnummer 1 2 3 4 5 6 7 Mittelwert

Spannungswert ohne Wasser (in mV) 260 350 300 280 390 400 270 320 (aufgerundet)

Spannungswert mit Wasser (in mV) 20 60 40 20 20 20 40 32 (aufgerundet)

Tabelle 6 Photospannung.

Mit einem Tuch kann man nun das Wasser wieder aufnehmen und eine Umkehrung des

Effektes erkennen, nämlich eine Zunahme der Spannung. Wenn man Wasser auf die flache

Seite des Plexiglaskörpers - dort wo das Lichtbündel auftrifft - aufträufelt kann man folgendes

beobachten: der Lichtstrahl wird nicht mehr total reflektiert wird, sondern er wird genau an

der Stelle, an der der Wassertropfen sitzt - nämlich an der Grenzfläche Plexiglas / Wasser -


gebrochen. Neben dem einfallenden Strahl ist nun zusätzlich zum reflektierten Strahl ein

gebrochener Strahl zu sehen. Die Totalreflexion wird durch die Wassertropfen aufgehoben,

deshalb nimmt die Intensität der Photospannung ab.

In der Abbildung 77 ist das durch den Wassertropfen austretende Lichtbündel - der

gebrochene Strahl und der einfallende und reflektierte Laserstrahl - zu sehen. Das linke Bild

zeigt den Versuchsaufbau ohne Wassertropfen auf dem Plexiglas. Das rechte Bild zeigt, was

passiert, wenn sich ein Wassertropfen auf dem Plexiglas befindet: das Lichtbündel des

Laserpointers wird am Tropfen gebrochen. Man bekommt mit Hilfe des Wassers und diesem

Aufbau den minimalsten Spannungswert indem man die ganze Stelle des Plexiglaskörpers auf

der das Lichtbündel auftrifft mit Wasser bedeckt. Damit wird möglichst viel Licht gebrochen.

Abbildung 77 Plexiglaskörper ohne Wassertropfen (linkes Bild) und mit Wassertropfen (rechtes Bild).

In eine schon vorbereitete Zeichnung (siehe Abbildung 78) kann man den einfallenden Strahl,

den reflektierten Strahl, den gebrochenen Strahl und das Lot einzeichnen. Hier ist es sinnvoll

erneut zu diskutieren, wie der Strahl gebrochen wird: wird er zum Lot oder vom Lot weg

gebrochen und warum ist dies so. Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen, da wir einen

Übergang von einem optisch dünnerem in ein optisch dichteres Medium haben (vgl. Kapitel

1.3.3).


Abbildung 78 Darstellung des Strahlenverlaufs19.

3.3.1.4 Ergebnis des Versuchs

Dieser Versuch zeigt, dass der hier entscheidende Effekt - nämlich die Aufhebung der

Totalreflexion durch das Wasser - ausgenutzt werden kann. Sobald man auf den

Plexiglaskörper, an die Stelle an der der Laserstrahl total reflektiert wird, Wassertropfen

mithilfe der Spritze aufträufelt wird die Totalreflexion aufgehoben. Es entsteht zusätzlich zum

reflektierten Strahl ein gebrochener Strahl. Durch die Abnahme der Intensität des reflektierten

Strahls fällt auf die Fotodiode weniger Licht. Am Spannungsmessgerät ist dadurch ein

Spannungsabfall zu beobachten. Dieser Effekt wird auch beim realen Regensensor erfolgreich

verwendet (siehe Kapitel 2.4). Statt Laserlicht wird beim realen Regensensor infrarotes Licht

eingesetzt. Man benötigt mehrere Prismen um das Infrarotlicht in die Windschutzscheibe ein-

bzw. auszukoppeln. Realität und Experiment benutzen beide zur Registrierung der

Intensitätsänderung des Lichts eine Fotodiode. Man erkennt, dass das Experiment der Realität

sehr gut nachempfunden ist.

19 Die Strahlen (einfallender Strahl, reflektierter Strahl und gebrochener Strahl) sind in dieser Abbildung schon eingezeichnet, im Anhang bei den Arbeitsblättern befindet sich eine noch nicht beschriftete Zeichnung.



dem Lehrplan

Didaktische Bemerkungen

Neben der Funktionsweise des Regensensors wurde nun zusätzlich nochmals das

Brechungsgesetz benutzt um den Grenzwinkel der Totalreflexion auszurechnen. Eine

experimentelle Bestimmung des Grenzwinkels wurde vorgenommen und die Grundlagen der

Totalreflexion wurden nochmals wiederholt und vertieft. Dieses Experiment ist vielseitig und

kann jederzeit erweitert werden, es ist anschaulich und übersichtlich und faszinierend

zugleich. Mit einfachsten Mitteln und einem kostengünstigen Aufbau wurde ein Experiment

aufgebaut, dass bei Schülern einen Aha-Effekt auslöst. Man kann das Experiment auch nur

dazu nutzen, die Funktionsweise des Regensensors zu erklären bzw. zu erläutern. Durch

dieses Experiment wird das Interesse der Schüler/-innen geweckt, die Alltagsrealität und die

Schulphysik werden eng miteinander verknüpft, die Schüler/-innen erleben einen direkten

Bezug zu ihrer täglichen Umgebung.

Um die Schüler/-innen für dieses Thema zu motivieren bzw. diesen Sachverhalt einzuführen,

kann ein Schüler der Klasse die Werbeanzeige (siehe Kapitel 2.4.1) für den Regensensor

vorlesen. Dann können mögliche Funktionsweisen des Sensors innerhalb der Klasse diskutiert

werden.

In diesem Experiment wird ein Laser der Klasse 2 (Laser Pointer Econo) benutzt. Die

Schüler/-innen müssen darauf hingewiesen werden, dass sie nicht in den Laserstrahl schauen

dürfen. Auch Gegenstände die möglicherweise den Laserstrahl reflektieren könnten (wie

beispielsweise Uhren) sollten während der Versuchsdurchführung aus Gründen der Sicherheit

abgelegt werden. Bei einem kurzzeitigen Hineinschauen in den Laserstrahl (Klasse 2) ist das

Auge zwar durch den Lidschutzreflex geschützt, dies ist aber kein Grund unvorsichtig mit

dem Laser zu arbeiten.

Vergleich zum Lehrplan

In der achten Klasse des Gymnasiums werden beim Thema Optik im Physikunterricht unter

anderem „Lichtausbreitung“ und „Licht an Grenzflächen“ durchgenommen. Lichtbündel und

Lichtstrahlen sowie Streuung und Reflexion des Lichtes, Totalreflexion und das

Brechungsgesetz sollen behandelt werden (siehe Kapitel 4.4).


In der zehnten Klasse gibt es ein „Wahlpflichtgebiet“, das sich mit der Leitfähigkeit von

Halbleitern, der Halbleiterdiode und somit der Fotodiode befasst.

Nach der zehnten Klasse ist also die Behandlung des ganzen Experiments „Regensensor“

möglich und durch den Lehrplan abgedeckt. Teilweise kann dieses Experiment auch in der

achten Klasse eingesetzt werden, um das Brechungsgesetz einzuführen und die Totalreflexion

zu erläutern. Eine grobe Skizzierung, warum man die Fotodiode braucht und was diese tut ist

auch in der achten Klasse möglich. Das Experiment „Der Regensensor“ ist durchaus in der

achten Klasse ansatzweise durchführbar. Die Arbeitsweise einer Fotodiode kann aber nur mit

den Schülern ab der zehnten Klasse im Unterricht durchgenommen werden.


3.4 Experiment Airbagsensor

3.4.1 Aufbau des Airbagsensors

Beim Aufprall des Legoautos gegen ein Holzbrett wird auf Grund der Trägheit die Kugel, die

an einem Stab hängt, gegen den Piezokristall gedrückt (siehe Abbildung 79). Es entsteht

durch die auf den Kristall wirkende Kraft ein kurzer Spannungsimpuls, der durch den NF-

Verstärker verstärkt wird; das mit ihm verbundene Glühlämpchen leuchtet kurz auf. Wenn

man die zu fahrende Strecke des Legoautos variiert, dann bemerkt man: je größer die zu

fahrende Strecke wird, desto heller leuchtet das Lämpchen. Die Kraft, die auf den

Piezokristall ausgeübt wird, nimmt mit wachsender Strecke zu. Je größer die wirkende Kraft

auf den Piezokristall desto heller leuchtet das Lämpchen.

Abbildung 79 Airbagsensor.

3.4.1.1 Materialien

Um den Airbagsensor aufzubauen, werden folgende Materialien bzw. Utensilien benötigt:

• Piezokristallkästchen von Leybold

• Massestück (50g)

• Holzbrett

• Kunststoffbrett

• Auto (aus LEGO- und

LEGOTECHNIK Bausteinen)

• Metermaßstab

• Rolle mit Halterung


• Schaumstoff

• Pappe

• Styropor

• Stahlkugel (m = 100g,

r = 1 cm) mit Öse (für die

Schnur)

• Schnüre (Kordel, Nylon)

• Klebeband

• Schraubklemmen

(Tischklemmen)

• Waage

• Speicheroszilloskop

• BNC- Stecker

• NF-Verstärker (Phywe)

• Drucksensor (Piezoelement)

• Multimeter

Das Piezokristallkästchen von Leybold besteht aus einem piezoelektrischen Kristall, der von

zwei Seiten benutzt werden kann. Auf dem Legoauto muss eine kleine Stange befestigt sein,

an der eine Kugel hängt, die bei deren Auslenkung genau den Piezokristall trifft (vgl.

Abbildung 79). Holzbrett, Kunststoffbrett und Styropor müssen mindestens so groß sein, dass

sie sich mit den Tischklemmen einfach befestigen lassen und dass das Legoauto beim

Aufprall genug Platz zum Auftreffen hat. Es können zwei verschiedene Sorten von Schnüren

benutzt werden; einmal eine Nylonschnur um die Stahlkugel an dem Stäbchen zu befestigen,

zum anderen Kordel um das Legoauto mit dem Massestück verbinden zu können. Für den

Gesamtaufbau (Auto und Sensor) eignen sich die LEGOTECHNIK-Steine sehr gut.

Wie baut man einen Drucksensor? Um einen Drucksensor (siehe Abbildung 80) zu bauen

benötigt man ein Piezoelement, zwei Anschlussbuchsen und ein Stück Kabel um beides zu

verbinden; dies ist alles im Elektronik-Fachhandel erhältlich.

Bevor man das Piezoelement auf das Plastikkästchen fixiert, bohrt man in das Kästchen zwei

kleine Löcher von oben und zwei kleine Löcher seitlich für die Anschlussbuchsen hinein.

Nachdem man das Piezoelement nun mit doppelseitigem Klebeband festgemacht hat, lötet

man die Kabel an. Diese Kabel werden dann durch die Löcher, die von oben in das Kästchen

gebohrt wurden gesteckt und mit den Anschlussbuchsen, die sich seitlich am Kästchen

befinden, verlötet. Man muss beim Anlöten der Kabel darauf achten, dass man das eine Kabel

auf den piezoelektrischen „Kristall“ lötet (weiße Fläche) und das andere Stück Kabel auf die

Folie (goldene Fläche), damit man zwei unterschiedliche Potentiale hat.



In diesem Versuch soll ein Grundprinzip des Auslösemechanismus eines Airbags gezeigt und

erläutert werden. Mit Hilfe der beiden Schraubklemmen (Tischklemmen) wird das Holzbrett

an einem Ende des Tisches befestigt. Das Piezokristallkästchen wird mittels Klebeband auf

dem Legoauto angebracht. Hinter dem Holzbrett wird eine Rolle befestigt über die später eine

Schnur abgerollt wird, die von einem Massestück gezogen wird. Das Massestück soll an

einem Ende der Schnur befestigt werden, das andere Ende wird am Legoauto festgemacht.

Um die Strecke zu bestimmen, die das Legoauto mit dem Piezokristallkästchen bis zum

Holzbrett zurücklegt, wird auf dem Tisch ein Maßband mittels Klebeband befestigt. Es wird

nun jeweils das Piezokristallkästchen mit dem NF-Verstärker und der NF-Verstärker mit dem

Glühlämpchen verbunden. Es ist sinnvoll die beiden Kabel zwischen Legoauto und Verstärker

zusammenzukleben und diese zu verdrillen. Wenn sich das Legoauto bewegt ist es dann

einfacher die beiden Kabel hochzuhalten, damit es in seiner Bewegung nicht behindert wird;

außerdem werden dann „kleine Störströme“ vermieden.


Bevor das eigentliche Experiment des Airbagsensors beginnt, soll die Funktion eines

Drucksensors mit einem piezoelektrischen Element getestet

werden. Dazu wird das selbstgebastelte Kästchen, auf dem das

piezoelektrische Element befestigt ist, an ein Multimeter

angeschlossen. Wenn man mit einem Finger auf das

piezoelektrische Element kurz Druck ausübt kann man am

Multimeter einen Spannungsimpuls erkennen (siehe Kapitel

1.4.1). Mit diesem kleinen Versuch kann man den piezoelektrischen Effekt mit einfachsten

Mitteln in der Schule demonstrieren.

Nachdem der kleine Exkurs mit dem Drucksensor beendet ist soll nun mit dem Experiment

„Airbagsensor“ begonnen werden.

Für diesen Versuch benötigt man das Legoauto mit einem piezoelektrischen Kristall und einer

hängenden Kugel; zusätzlich ist ein Massestück am Auto befestigt. Außerdem braucht man

das Glühlämpchen und den NF-Verstärker (oder ein Gleichspannungsverstärker von

Leybold). Das Legoauto, das mit einer Schnur über eine Rolle mit einem Gewicht verbunden

ist, soll senkrecht gegen das Holzbrett fahren, das mit Schraubklemmen am Tisch befestigt ist.

Bevor man den Versuch startet ist es sinnvoll die Kabel hochzuhalten, damit das Legoauto in

Abbildung 80 Drucksensor.


seiner Bewegung nicht behindert ist. Zusätzlich muss man darauf achten, dass die Kugel in

Ruhe ist bevor das Legoauto gestartet wird. Aufgabe innerhalb dieses Versuchs ist es nun die

Strecke des fahrenden Legoautos zu variieren und dabei das Glühlämpchen zu beobachten.

Beim Glühbirnchen kann man beobachten, dass mit zunehmendem Abstand zwischen dem

Holzbrett und dem Legoauto auch die Leuchtintensität des Glühbirnchens zunimmt.

Für den nächsten Versuch tauscht man den NF-Verstärker und das Glühlämpchen aus. Statt

dessen verbindet man nun das Piezokristallkästchen, das sich auf dem Legoauto befindet, mit

einem Speicheroszilloskop. Das Legoauto soll nun senkrecht gegen das Holzbrett fahren. Dies

kann für verschiedene Streckenabstände (5 cm bis 40 cm) durchgeführt werden. Diesen

Versuch führt man für jede Stecke dreimal durch und liest dabei die Spannung am

Speicheroszilloskop ab (kurze Spannungspulse von ca. 0,5 ms). Dann wird aus diesen drei

Spannungswerten (U1, U2, U3) der Mittelwert (U ) gebildet. Die abgelesenen Spannungswerte

findet man in der Tabelle 7.

Strecke in cm 5 10 15 20 25 30 35 40

U1 in V 2,1 5,5 13 15 23 24 30 38

U2 in V 2,3 5,2 13 18 21 25 30 38

U3 in V 2,1 4,4 12 17 20 28 30 35

U in V 2,2 5 12,7 16,7 21,3 25,7 30 37

Tabelle 7 Spannungswerte beim senkrechten Aufprall.

Bei diesem Versuch fällt folgendes auf: Je größer die zu fahrende Strecke ist, desto größer

wird die Spannungsspitze (der Spannungswert). Um so größer die durchgefahrene Strecke ist,

um so größer ist die Geschwindigkeit des Wagens und desto größer ist die Kraft die auf die

hängende Kugel wirkt. Die Geschwindigkeit des Legoautos bei einer bestimmten Strecke

kann man berechnen, indem man mit einer Waage die Massen von dem Legoauto und dem

Gewicht (Massestück) bestimmt und in Gleichung 3.5 einsetzt.

Die Masse M des Autos beträgt 217,5 g, das Massestück m wiegt 50,7 g; es gilt der

Energieerhaltungssatz )81,9(2

s

mg = :

mghMv =2

2

1. (3.5)


Man kann festlegen, dass der Airbag ab einer bestimmten Geschwindigkeit auslöst, diese soll

bei einer Strecke von 25 cm vor dem Hindernis erreicht sein. Aus Gleichung 3.5 folgt für die

Geschwindigkeit v:

M

mghv

2= ⇒ v = 1,07

s

m.

Im Alltag haben wir es nicht nur mit Unfällen mit senkrechtem Aufprall zu tun, sondern auch

mit seitlichem Aufprall, die zu den zweithäufigsten Unfällen gehören. Dieses Experiment

bietet auch die Möglichkeit auszuprobieren, was passiert, wenn das Legoauto nicht senkrecht

gegen das Holzbrett fährt. Das Legoauto, das mit einer Schnur über eine Rolle mit einem

Gewicht verbunden ist, soll nun nicht senkrecht (sondern aus einem anderen Winkel) auf das

Holzbrett auffahren. Die auftretenden Spannungen werden jeweils am Speicheroszilloskop

abgelesen und notiert (Tabelle 8). Dieser Versuch wird für zwei bestimmte Abstände

zwischen Holzbrett und Legoauto (5 cm bis 40 cm) durchgeführt. Aus drei durchgeführten

Messungen für einen Abstand wird der Mittelwert gebildet und dann dieser mit den notieren

Werten der Tabelle 7 verglichen und ausgewertet.

U1 in V U2 in V U3 in V U in V

Strecke: 20 cm

10 8 10 9,3

Strecke: 30 cm

14 17 15 15,3

Tabelle 8 Spannungswerte beim seitlichen Aufprall.

Wenn man das Legoauto schräg gegen das Hindernis (das Holzbrett) fahren lässt, trifft durch

seinen seitlichen Startpunkt meistens nur ein Vorderrad des Legoautos auf das Holzbrett auf.

Im Vergleich zum senkrechten Aufprall schlägt die Kugel mit einer kleineren Kraft gegen den

Piezokristall, dadurch kann man eine niedrigere Spannung auf dem Speicheroszilloskop

ablesen. Vergleicht man die Spannungswerte für diese beiden gefahrenen Strecken mit den

Spannungswerten für dieselben Strecken aus der Tabelle 7, kann man die schon vorher

vermutete Annahme, dass die gemessenen Spannungswerte für den seitlichen Aufprall

niedriger sind, bestätigen.

In der Realität müssen die seitlichen Airbags früher ausgelöst werden, da bei einem seitlichen

Aufprall weniger Schutz für die Autoinsassen vorhanden ist, als bei einem Frontalunfall bei


dem eine erheblich größere Knautschzone vorhanden ist. Nach der Simulation des frontalen

Aufpralls und des seitlichen Aufpralls des Legoautos gibt es nun die Möglichkeit das

Legoauto senkrecht gegen verschiedene Materialien (Styropor, Schaumstoff) fahren zu lassen.

Es ist ein Unterschied, ob man gegen eine Mauer oder gegen einen Strauch fährt; dieser

Aspekt soll in diesem Teil des Experiments Airbagsensor behandelt bzw. durchgeführt

werden.

Jeweils drei Messungen für zwei bestimmte Abstände zwischen Holzbrett und Legoauto

(5 cm bis 40 cm) werden in diesem Versuch durchgeführt. Die Spannungswerte für den

Aufprall des Legoautos auf unterschiedliche Materialien werden vom Speicheroszilloskop

abgelesen und in Tabelle 9 notiert.


Strecke: 20 cm Styropor

9 8 11 9,3

Strecke: 30 cm Styropor

15 16 13 14,7

Strecke: 20 cm Schaumstoff

14 15 14 14,3

Strecke: 30 cm Schaumstoff

19 18 20 19

Tabelle 9 Spannungswerte beim Aufprall auf Styropor und Schaumstoff.

Vergleicht man die Spannungswerte bei diesem Teil des Experiments mit den

Spannungswerten bei dem Versuch bei dem das Legoauto frontal gegen das Holz prallt (siehe

Tabelle 7) so stellt man fest, dass die Spannungswerte für den letzten Versuch (siehe Tabelle

9) niedriger sind. Das Styropor und vor allem der Schaumstoff dämpft den Aufprall des

Legoautos. Durch die Verformung des Schaumstoffes wird Bewegungsenergie abgebaut.

Deshalb ist es auch wichtig, dass ein Auto in der Realität Knautschzonen besitzt, die im Falle

eines Zusammenstoßes einen großen Teil der wirkenden Kräfte abbauen.

3.4.1.4 Ergebnis des Versuchs

Insgesamt kann man mit diesem Experiment folgendes im Unterricht demonstrieren: Mit

zunehmendem Abstand zwischen dem Hindernis (Holzbrett) und dem Legoauto beobachtet


man auch eine Zunahme der beim Aufprall wirkenden Kräfte, was man mit der größer

werdenden Spannung am Speicheroszilloskop bestätigt werden kann. Die Spannungen sind

also unter anderem von der Geschwindigkeit des aufprallenden Legoautos abhängig.

Vergleicht man den frontalen Aufprall des Legoautos mit dem seitlichen Aufprall auf ein

Holzbrett so stellt man fest, dass die entstehende Spannung beim seitlichen Aufprall geringer

ist. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien wie Schaumstoff, Styropor und

Holz ist festzuhalten, dass die eher weicheren Materialien den Aufprall dämpfen und dadurch

die verursachten Spannungswerte kleiner sind als bei den härteren Materialien.

Auch in der Realität ist der Aufprallwinkel, die Aufprallgeschwindigkeit und die Art des

Hindernisses entscheidend für die resultierende Beschleunigung die auf das Kraftfahrzeug

wirkt. Der Beschleunigungssensor vergleicht diese Verzögerungswerte (resultierende

Beschleunigung) mit gespeicherten Werten von Crashs und löst gegebenenfalls den Airbag

aus. Realität und Experiment basieren beide auf den beim Aufprall auftretenden

Verzögerungen. Je nach Art des Beschleunigungssensors werden die auftretenden

Verzögerungen nach einem anderen Prinzip bestimmt. Die verschiedenen Arten von

Beschleunigungssensoren wurden in Kapitel 2.5 vorgestellt.


dem Lehrplan

Didaktische Bemerkungen zu diesem Versuch

Der Drucksensor, der am Anfang des Experiments steht, ist ein sehr einfaches Experiment bei

dem die Schüler/-innen die Gelegenheit haben den piezoelektrischen Effekt selbst aus-

zuprobieren.

Beim Experimentieren mit dem Airbagsensor sollte u.a. darauf geachtet werden, dass das

Legoauto auch wirklich immer senkrecht gegen das Holzbrett (das Styropor, den

Schaumstoff) aufprallt, dass die Kugel in Ruhe ist bevor das Auto losgelassen wird und dass

beim Fahren die Kabel hochgehalten werden die am Legoauto befestigt sind.

Dieses Experiment hat - wie das Experiment mit dem Ultraschallsensor und das mit dem

Regensensor - einen sehr hohen Alltagsbezug. Die Schüler/-innen fühlen sich dadurch

angesprochen und werden zusätzlich motiviert. Das Experiment ist aus der Sicht des Schülers/

der Schülerin nicht aus der Luft gegriffen, sondern sie können damit etwas anfangen.


Vergleich mit dem Lehrplan

Um dieses Experiment „Airbagsensor“ im Physikunterricht durch zu führen bzw. durch zu

nehmen müssen den Schülern folgende Grundlagen bekannt sein: die Newton’schen Axiome,

Impuls- und Energieerhaltung, elastischer- und ineleastischer Stoß und der piezoelektrische

Effekt. Der piezoelektrische Effekt kann mit diesem Experiment besonders gut im Unterricht

eingeführt werden; der Drucksensor eignet sich auch gut dafür.

Im Hinblick auf den Lehrplan der Mainzer-Studienstufe (MSS) für den Leistungskurs findet

man die Bausteine „Kinematik“, „Erhaltungssätze der Mechanik“ und der Wahlpflicht-

baustein „Festkörperphysik“ (siehe Kapitel 4.4). Im Leistungskurs als auch im Grundkurs ist

der Einsatz dieses Experiments empfehlenswert.

3.4.1.6 Weiterer Experimentiervorschlag

Im Kapitel 2.5.3 wurde ein kapazitiver Beschleunigungssensor vorgestellt. Dieser soll nun

anhand eines Experimentes zum Einsatz kommen. Zur Spannungsversorgung wurde ein

Schaltkreis auf eine Platine aufgelötet (siehe Abbildung 81). Unter der Steckplatine befinden

Abbildung 81 Platine mit Sensor (linkes Bild) und Schaltskizze (rechtes Bild).

sich zwei Legosteine, die ein variables Aufstecken auf ein Legoauto (vgl. Ultraschall- und

Airbagsensor) ermöglichen. Man benötigt dafür folgende Materialien: eine Steckplatine, zwei

Kondensatoren (C1 = 10 µF, C2 = 1 µF), einen 5 V Spannungsregler, einen Batterieclip, ein

Sensorgehäuse und ein Koaxialkabel. Die Schaltskizze ist in Abbildung 81 zu sehen, die

Pinbelegung in Abbildung 82. Um den Versuch zu starten schließt man an den Batterieclip

eine 9 V Batterie an und an das Koaxialkabel ein Speicheroszilloskop.

Ein mögliches Experiment ist nun die Messung der Erdbeschleunigung. Hält man den Sensor

waagrecht so wirkt keine Beschleunigung auf ihn. Dreht man ihn nun so, dass Pin 1 entweder


zum Boden oder zur Decke zeigt, so kann man auf dem Speicheroszilloskop eine

Spannungsänderung beobachten die genau der Erdbeschleunigung 1 g entspricht.

Außerdem ist folgendes Experiment realisierbar: Der in Kapitel 3.4.1 mit dem Legoauto mit

Piezokristall durchgeführte Versuch kann durch ein Legoauto mit dem hier vorgestellten

kapazitiven Beschleunigungssensor ersetzt werden. Dann ist es möglich das ganze

Experiment mittels des kapazitiven Beschleunigungssensors erneut durchzuführen. Es ist

hinterher erwägenswert die aufgenommen Spannungswerte qualitativ zu vergleichen.

Pin N° X Axis (SMB050D)

1-11 N.C. (*) 12 Offset X 13 Out X 14 Test 15 GND 16 VDD

17-28 N.C. (*): Pins are not connected within the PLCC package exept for code bonds (see following chapter).

Abbildung 82 Pinout des SMB050D [46].


3.5 Allgemeine didaktische Bemerkungen zu den

Experimenten

Das Experiment nimmt im Physikunterricht eine zentrale Stellung ein. Bei einem Experiment

ist es wichtig die Vorstellungen und die Alltagserfahrungen der Schüler/-innen mit

einzubinden und das Interesse der Schüler/-innen durch Versuche, die mit der Umwelt des

Schülers/der Schülerin eng verbunden sind, zu wecken. Alle Experimente in dieser

Examensarbeit sind nach diesen Kriterien ausgewählt worden, sowohl der Ultraschallsensor,

der Airbagsensor und auch der Regensensor.

Wichtig ist, dass alle Experimente übersichtlich (kein Kabelsalat etc.) aufgebaut sind, so dass

jeder Schüler/jede Schülerin vom Platz aus alles gut beobachten kann. Physikalische

Sachverhalte sollen durch die Experimente vereinfacht und veranschaulicht werden. Durch

den selbstständigen Aufbau eines Experiments bzw. eines Versuchs können die Schüler/-

innen ihre eigenen Fähigkeiten und ihr eigenes Können einsetzen und erproben; zusätzlich

wird ihnen dadurch eine Einsicht in das naturwissenschaftliche Denken gewährt. Falls das

Experiment wider Erwarten vom Lehrer im Unterricht durchgeführt wird ist es am besten den

Versuch vor den Augen der Schüler/-innen und mit deren Hilfe aufzubauen; eine Skizze der

Versuchsanordnung an der Tafel kann dabei hilfreich sein. Deshalb sind auf den

Arbeitsblättern jeweils Skizzen zu den Experimenten vorhanden.

Der Aufbau des Experiments im Physikunterricht ist leider zeitlich nicht immer möglich aber

erstrebenswert. Auf alle Fälle soll ein Experiment gemeinsam mit den Schülern entwickelt,

durchgeführt und bewertet werden. Es ist beispielsweise möglich, dass die Schüler/-innen die

Messwerte aufnehmen und Teile des Versuchs durchführen, d.h. die Schüler/-innen sollen den

Unterricht unbedingt aktiv mitgestalten. Schülerexperimente fördern die Selbstständigkeit der

Schüler/-innen und schulen die Beobachtungsgabe, nicht umsonst gilt „learning by doing“.

Letztendlich ist es entscheidend, dass die Schüleraktivität im Physikunterricht erhöht wird

und dadurch ein selbstständiger Wissenserwerb gefördert wird.

Zusammenfassung 112

Zusammenfassung

Im Rahmen der vorliegenden Examensarbeit wurden im Wesentlichen drei mögliche

Experimente für die Schule zu dem Themengebiet „Physik im Auto: Sensoren“ vorgestellt,

die bereits in Schülerpraktika realisiert wurden. Ziel dieser Arbeit war es die Funktions- und

Arbeitsweise des Ultraschallsensors, des Regensensors und des Airbagsensors

(Beschleunigungssensors) den Schüler und Schülerinnen durch schulgerechte Experimente zu

vermitteln. Die Jugendlichen wurden durch die alltagsbezogene Physik am Auto besonders

motiviert und angespornt, wie die schon mehrmals durchgeführten Schülerpraktika gezeigt

haben.

Anhand von Arbeitsblättern für die Schülerexperimente konnten die Schüler und

Schülerinnen die jeweiligen Versuche im Rahmen eines Praktikums durchführen; aber auch

der Vergleich zur Realität kam in den Arbeitsblättern nicht zu kurz.

Der Ultraschallsensor, der in der Einparkhilfe des Autos genutzt wird, kann im

Schülerexperiment mit Hilfe eines Ultraschall-Abstandswarners simuliert werden. Anhand

einer Leuchtdiode, die im Abstandswarner integriert ist, wird der kritische Abstand zum

nächstliegenden Hindernis angezeigt. Es ist möglich verschiedene Stoffe wie beispielsweise

Kunststoff und Schaumstoff auf ihre Reflexionseigenschaften hin zu testen. Neben der

Funktionsweise des Ultraschallsensors kann zusätzlich der Themenkomplex Reflexion und

Interferenz von Wellen aufgezeigt werden.

Durch eine kleine Erweiterung des Experiments, nämlich ein an den Ultraschall-

Abstandswarner gelötetes Relais mit einem Piezosummer, kommt man der Einparkhilfe mit

ihren Ultraschallsensoren in der Realität recht nahe. Nun hat man gleichzeitig ein optisches

und ein akustisches Signal, das den Abstand zum nächstgelegenen Hindernis aufzeigt.

Der Regensensor im Auto nutzt das Prinzip der Totalreflexion aus, ebenso das Schüler-

experiment. Der Regensensor im Schülerexperiment besteht unter anderem aus einem

Laserpointer, der als Lichtquelle dient, einem halbkreisförmigen Plexiglaskörper und einer

Fotodiode, die an einer Magnettafel befestigt sind. Befinden sich Wassertropfen auf der

flachen Seite des Plexiglaskörpers, so wird die Totalreflexion aufgehoben, das Lichtbündel

des Laserpointers wird gebrochen. Analog verhält es sich an der Windschutzscheibe des

Autos. Dieser Versuch zeigt anschaulich das Prinzip eines Regensensors und lässt die

Sachverhalte Reflexion, Brechung und Totalreflexion einprägsam und verständlich

erscheinen.

Zusammenfassung 113

Das dritte Schülerexperiment, der Beschleunigungssensor oder auch Airbagsensor genannt,

wird mit Hilfe eines auf einem Legoauto befindlichen Piezokristalls realisiert. Durch den

Aufprall des Legoautos gegen ein Holzbrett wird eine auf dem Legoauto befestigte

Metallkugel aufgrund ihrer Trägheit ausgelenkt und schlägt auf den Piezokristall; es wird eine

Spannung erzeugt, die von der Aufprallgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel des Autos

auf das Hindernis und von der Beschaffenheit des jeweiligen Hindernisses abhängig ist. In

diesem Experiment stehen der piezoelektrische Effekt und das Trägheitsgesetz im

Vordergrund.

Neben dem piezoelektrischen Beschleunigungssensor bietet sich die Möglichkeit einen

weiteren Beschleunigungssensor, der kapazitiv arbeitet, als Schülerversuch aufzubauen.

Ein neuer Aufgabenbereich und gleichzeitig eine Verfeinerung bei dem Schülerexperiment

mit dem Ultraschallsensor ist beispielsweise eine digitale Anzeige, die den noch ungefähr

verbleibenden Abstand zwischen dem Legoauto und dem jeweiligen Hindernis anzeigt.

Dies erweist sich aber als relativ schwierig und ist nicht dringend notwendig. In einer Physik-

AG könnten sich besonders versierte und physikalisch begeisterte Schüler und Schülerinnen

noch intensiver mit dem Themenpaket rund um das Auto beschäftigen.

Beim kapazitiven Beschleunigungssensor bietet es sich an andere Beschleunigungen wie

beispielsweise die Gravitation etc. zu messen.

Aufgrund der Vielfalt der Sensoren im Auto und deren ständig wachsenden Anzahl wurden

exemplarisch für diese Examensarbeit drei Sensoren ausgewählt und zugehörige Experimente

aufgebaut. Die Funktionsweisen des Tankfüllstandssensors, des Sitzbelegungssensors, des

Lichtsensors, der induktiven Motordrehzahlsensoren sowie der Raddrehsensoren - die für

Systeme wie ABS, ASR und ESP notwendig sind - können mögliche Ausgangspunkte für

weitere Arbeiten sein.

Auf der Homepage www.physik.uni-mainz.de/lehramt/autosensoren ist diese Examensarbeit

mit den Arbeitsblättern und den beiden Vorträgen zu finden und kann heruntergeladen

werden.

Anhang 114

Kapitel 4: Anhang

4.1 Schülerpraktikum „Physik im Auto: Sensoren“

Das Schülerpraktikum „Physik im Auto: Sensoren“ wurde insgesamt schon dreimal mit vier

Klassen von Schülern aus der 10-ten, 11-ten und 12-ten Klasse an der Johannes-Gutenberg-

Universität in Mainz durchgeführt. Neben diesem Schülerpraktikum wurden immer noch zwei

weitere Praktika - zum einen das Praktikum „Schüler im Elektroniklabor“ und zum anderen

das Praktikum „Der Elastizitätsmodul“ - angeboten. Die Schüler/-innen durften dann

zwischen diesen drei Angeboten wählen. Nachdem die Aufteilung auf die verschiedenen

Praktika erfolgte, wurden die Schüler nochmals in 2-er und 3-er Gruppen eingeteilt.

Innerhalb des Praktikums „Physik im Auto: Sensoren“ gab es drei Gruppen: der

Airbagsensor, der Ultraschallsensor und der Regensensor. Am Anfang jedes

Schülerpraktikums stand ein Vortrag20, der die physikalischen Grundlagen der durch-

zuführenden Versuche nochmals erläuterte. Dadurch hatten die Schüler/-Schülerinnen die

Möglichkeit ihre Kenntnisse nochmals zu vertiefen und länger zurückliegenden Stoff zu

wiederholen; so konnten auch für die Schüler neue Sachverhalte geklärt werden. Im Laufe der

Praktika hat sich herausgestellt, dass die Schüler/-innen gerne in den Vortrag miteinbezogen

werden wollen. Nach diesem etwa einstündigen Vortrag haben die Schüler/-innen nun

Gelegenheit sich auf die von ihnen ausgewählten Experimente (Regensensor,

Ultraschallsensor, Airbagsensor) zu konzentrieren. Jeder Schüler/jede Schülerin bekam ein

Arbeitsblatt um dann in einer der 2-er und 3-er Gruppen den jeweiligen Versuch selbstständig

durchzuführen. Zunächst mussten die Experimente aufgebaut und durchgeführt und dabei die

Arbeitsblätter ausgefüllt werden (siehe Abbildung 83). Nach etwa zweistündigem eifrigem

und fleißigem Experimentieren der Schüler ging es in die wohlverdiente Mittagspause.

Danach hatten die Gruppen die Gelegenheit ihre Arbeit zu beenden. Bei der zweiten Aufgabe

- nämlich der Präsentation des Experiments - sollte jeder Gruppenteilnehmer aktiv sein. Der

Aufbau, die Durchführung und die Funktionsweise des jeweiligen Experiments sollte

zunächst den anderen Mitschülern/-innen innerhalb des Praktikums „Physik im Auto:

Sensoren“ vorgestellt werden. Nachdem jede Gruppe ihr Experiment präsentiert hatte wurde

die Messung der Reaktionszeit auf zwei unterschiedliche Arten (siehe Arbeitsblätter 4.3) von

Schüler/-innen selbstständig durchgeführt.

20 Die beiden Vorträge („Physikalische Grundlagen zu den Experimenten“ und „Regensensor - Ultraschallsensor - Airbagsensor“), die während des Praktikums gehalten wurden, können auf der Internetseite - http://www.physik.uni-mainz.de/lehramt/autosensoren - angeschaut und / oder heruntergeladen werden.

Anhang 115

Das nächste Experiment - der Bewegungssensor (siehe Kapitel 4.2) - fand bei den Schüler/-

innen große Begeisterung (siehe Abbildung 86). Der letzte Teil des Schülerpraktikums

bestand darin, dass sich die komplette Klasse in dem jeweiligen Praktikumsraum getroffen hat

und dort alle Experimente vorgestellt wurden. Die jeweiligen Betreuer der drei Praktika

hielten nun einen zweiten Vortrag über ihr behandeltes Thema. Dadurch bekam jeder

Schüler/jede Schülerin Einblick über alle Experimnete in den verschiedenen Gruppen, der

Praktikumstag fand einen guten Abschluss.

Abbildung 83 Schülerpraktikum „Physik im Auto: Sensoren“.

Anhang 116

4.2 Der Bewegungssensor

Bei dem Bewegungssensor handelt es sich um einen PASPORT Motion Sensor von Pasco

(PS-2103). Dieser Sensor besteht aus einem Ultraschallsender, der auch gleichzeitig als

Empfänger dient (siehe Abbildung 84). Mittels der Aussendung von Ultraschallimpulsen wird

der Abstand zum nächstliegenden Hindernis bestimmt. Wie die Ultraschallsensoren im Auto

(vgl. Kapitel 2.) schaltet er nach dem Senden eines kurzen Ultraschallimpulses direkt auf

Empfang um. Der Bewegungssensor besitzt eine minimale

Reichweite von 15 cm und eine maximale Reichweite von

8 m. Zu dem Bewegungssensor kann man bei der Firma

Pasco eine entsprechende Software (Shareware) kostenlos

bestellen. Anhand eines Programms für den

Bewegungssensor ist es nun möglich die genaue Position

eines Gegenstandes im Bereich zwischen 0,15 m und 8 m zu bestimmen. Mit Hilfe des

Programms kann man Weg-Zeit-Diagramme, Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme und

Beschleunigungs-Zeit-Diagramme aufzeichnen lassen. Ein weiteres Programm (PASPORT

Motion EZ-Screen), das in der Software zu finden ist, ermöglicht spielerisches

Experimentieren. Hier gibt es vier Möglichkeiten Weg-Zeit-Graphen auszuwählen und diesen

dann „nachzulaufen“. Dieses Experiment funktioniert folgendermaßen:

Zuerst wählt man aus den vier möglichen Graphen einen aus. Der vorgegebene bzw. der zu

laufende Graph wird beispielsweise in gelber Farbe (siehe Abbildung 85) in ein Weg-Zeit-

Diagramm aufgetragen.

Abbildung 85 Weg-Zeit-Diagramm des Bewegungssensors [47].

Abbildung 84 Bewegungssensor [47].

Anhang 117

Man benötigt einen freien Platz von ca. 2,5 m auf 1 m. Nun positioniert man sich vor dem

Bewegungssensor. Auf dem Computerbildschirm ist auf der linken Hälfte ein Lineal zu

sehen, das in 10 cm Abschnitten eingeteilt ist und zusätzlich mit einem roten Ball die

jeweilige Position und dadurch die Entfernung der Versuchsperson zum Sensor angibt. Unter

dem Lineal befindet sich eine digitale Entfernungsanzeige (die Entfernung entspricht immer

dem kürzesten Abstand zwischen dem Bewegungssensor und der jeweiligen Versuchsperson).

Ziel ist es nun den Bewegungssensor mittels der Start-Taste (die sich oben links über dem

Lineal befindet) zu aktivieren und dann durch Vor- und Zurücklaufen den vorgegebenen

Graphen möglichst genau nachzulaufen. Die Versuchsperson bekommt am

Computerbildschirm einen weiteren rot gezeichneten Graphen angezeigt, der jeweils die

aktuelle Position angibt. Dadurch kann man während des Laufens immer genau erkennen, wo

man sich befindet und ob man jeweils zu schnell bzw. zu langsam seine Bewegungen

ausgeführt hat und ob man den vorgegebenen Graphen annähernd erreicht hat. Bei optimalen

Bewegungen kann man einen Highscore von maximal 100 Punkten erreichen, die stetes in

dem Feld unten rechts angezeigt werden.

Abbildung 86 Der Bewegungssensor im Schülerpraktikum im Einsatz.

Bewegungssensor

Anhang 118

4.2.1 Einsatz des Bewegungssensors auf dem Wissenschaftsmarkt

Am 11./12. September in diesem Jahr fand in der Innenstadt von Mainz der Wissen-

schaftsmarkt statt. Hier hatten Arbeitsgruppen der Johannes-Gutenberg-Universität die

Gelegenheit naturwissenschaftliche Grundlagen zu vermitteln und technische Erfindungen zu

zeigen.

Hier kam der zuvor erklärte Bewegungssensor zum Einsatz. Ein ausgerollter roter Teppich lud

die kleinen und großen Besucher des Wissenschaftsmarkts ein mit Hilfe des

Bewegungssensors ihr Gefühl und ihre Koordination für Geschwindigkeiten mit dem Sensor

zu testen (siehe Abbildung 87).

Abbildung 87 Der Bewegungssensor auf dem Wissenschaftsmarkt.

Anhang 119

4.3 Arbeitsblätter

Auf den nachfolgenden Seiten findet man die jeweiligen Arbeitsblätter für die drei

Schülerexperimente „Physik im Auto: Sensoren“. Diese können ohne Abänderungen direkt

vom Lehrer kopiert und im Physikunterricht eingesetzt werden.

Alle Arbeitsblätter sind nach folgendem Schema aufgebaut: Zunächst werden alle Materialien

aufgelistet, die für das spezielle Experiment benötigt werden. Daran schließen sich die

Versuchsvorbereitung, die Versuchsdurchführung und das Versuchsergebnis an. Auf den

Bezug zur Realität wird auch hier nicht verzichtet, damit befasst sich der letzte Teil des

Arbeitsblattes. Im Rahmen von Schülerpraktika wurden diese Arbeitsblätter entwickelt,

ausprobiert und verbessert. Mit der folgenden Auflistung kann man die Arbeitsblätter zum

zugehörigen Experiment schneller finden:

Der Ultraschallsensor (Seite 120 – Seite 131)

Der Regensensor (Seite 132 – Seite 142)

Der Airbagsensor (Seite 144 – Seite 156)

Die Winkelschablone für das Experiment „Der Regensensor“ befindet sich auf Seite 143.

Auch die beiden Arbeitsblätter zum Testen der Reaktionszeit befinden sich im Anhang:

Teste deine Reaktionszeit Teil I (Seite 157)

Teste deine Reaktionszeit Teil II (Seite 159)

Auf der Seite 158 kann die Lösung für den ersten Teil der Reaktionszeit direkt aus der Tabelle

entnommen werden.

Anhang 120

Der Ultraschallsensor

Arbeitsblätter

Abbildung Der Ultraschallsensor.

Inhaltsübersicht:

I) Der Ultraschallsensor

• Materialien Seite 121-122

• Versuchsvorbereitung Seite 122-123

• Versuchsdurchführung Seite 123-128

• Versuchsergebnis Seite 129

II) Der Ultraschallsensor im Auto (Einparkhilfe) Seite 130-131

Anhang 121

I) Der Ultraschallsensor

• Materialien:

• Bausatz für Ultraschallparkhilfe (Elektronik Conrad)

• 9 V Batterie mit Clip

• Legoauto

• Maßband und Geodreieck (Lineal)

Verschiedene Platten: Kunststoff, Holz, Styropor, Schaumstoff, Baumwoll-

stoff, Pappe (ca. 63,4 cm x 39,5 cm)

• Holz- oder Metallbilderrahmen (ca. 64 cm x 39,8 cm)

• Klebeband

Zunächst soll kurz auf den Ultraschallsensor - auch Ultraschall-Abstandswarner genannt - und

dessen technische Daten eingegangen werden [1]. Der Ultraschallsensor besteht aus zwei

Ultraschallmikrophonen; sobald sich ein Körper den beiden Ultraschallmikrophonen U1 und

U2 nähert leuchtet die LED (Light Emitting Diode) auf.

In einer Entfernung von 10 cm bis 80 cm können die Ultraschallmikrophone U1 und U2

Gegenstände / Körper (ca. 0,01 m2 - 0,5 m2) wahrnehmen. Die beiden Mikrophone arbeiten

mit einer Frequenz von ca. 40 kHz. Das Gerät benötigt eine Betriebsspannung von ca. 9-12 V,

deswegen wird die Platine mit einem Clip versehen um eine Batterie anzuschließen.

Abbildung Ultraschall-Abstandwarner.

Anhang 122

Der Ultraschall-Abstandwarner arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Ultraschall-

Echo-Ortung der Fledermäuse.

Die wichtigsten technischen Daten des Ultraschallsensors im Überblick:

- Betriebsspannung: 9-12 V Gleichspannung; (Stromaufnahme < 10mA)

- Arbeitsfrequenz: ca. 40 kHz

- Reichweite: ca. 10 cm - 80 cm (abhängig von der Körpergröße des sich nähernden

Objekts)

- Anzeige bzw. Signal über eine LED

Am Potentiometer P2 kann man die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors (Ultraschall-

Abstandwarners) einstellen. Je nach Einstellung des Potentiometers P2 ändert sich der

kritische Abstand zum Hindernis.

• Versuchsvorbereitung:

In diesem Versuch soll das Grundprinzip eines Ultraschallsensors - ähnlich wie in [2] -

gezeigt und erläutert werden.

Am Versuchstisch ist ein Metallrahmen befestigt, in den man verschiedene Platten

unterschiedlicher Materialien (Kunststoff, Holz, Styropor, Schaumstoff, Baumwollstoff,

Pappe) hineinstecken kann. Für den ersten Teil des Experiments soll die Kunststoffplatte

benutzt werden, dazu wird diese in den Metallrahmen gesteckt. Das Auto mit dem

Ultraschallsensor soll immer senkrecht zum befestigten Rahmen (bzw. der Platte) bewegt

werden. Um Messungen durchzuführen soll nun mit Hilfe eines Klebebandes ein Maßband

auf dem Tisch befestigt werden.

Um das Experiment zu starten schließt man die 9 V Batterie an den Ultraschallsensor der sich

auf dem Auto befindet.

Anhang 123

Abbildung Skizze des Versuchsaufbaus (Ultraschallsensor).

• Versuchsdurchführung:

1. Aufgabe:

Fahre mit dem Legoauto langsam auf die Kunststoffplatte zu, beobachte dabei die LED.

Was stellst Du fest?

Lösung der ersten Aufgabe:

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Anhang 124

2.Aufgabe:

Messe den Abstand zwischen Platte und Legoauto, wenn die LED des Ultraschallsensors das

erste Mal leuchtet. Dieser Abstand wird kritischer Abstand (akritisch) genannt.

Lösung der zweiten Aufgabe:

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.Aufgabe:

Was kannst Du beobachten, wenn Du das Legoauto sehr langsam der Platte näherst und

der kritische Abstand zwischen Kunststoffplatte und Auto unterschritten wird?

Vergleiche die Helligkeit (das Leuchten) der LED in der Nähe des kritischen Abstands und

in der Nähe der Platte. Was stellst Du fest?

Lösung der dritten Aufgabe:

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-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4. Aufgabe:

Welche Bedeutung hat es, wenn die LED leuchtet bzw. nicht leuchtet (physikalische

Begriffe)?

Lösung der vierten Aufgabe:

LED leuchtet bedeutet:

------------------------------------------------------------------------------

LED leuchtet nicht bedeutet:

-----------------------------------------------------------------------------

Anhang 125

5. Aufgabe:

Bestimme mit Hilfe des Lineals/Maßbandes den Abstand zweier Minima bzw. zweier

Maxima.

Was stellst Du fest?

Der Abstand zweier Minima bzw. zweier Maxima ist sehr klein. Überlege Dir erst, wie man

diesen Abstand der Minima bzw. Maxima geschickter berechnen könnte, bevor Du mit dem

Experiment beginnst.

Lösung der fünften Aufgabe:

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Abstand zweier Minima:

------------------------------------------

Abstand zweier Maxima:

------------------------------------------

Was stellst Du beim Vergleich fest?

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6.Aufgabe:

Der Abstand zwischen zweier Minima ist nun bekannt.

(Abstand zwischen zweier Minima: d)

Wie groß ist dann die Ultraschall-Wellenlänge λU und wie groß ist die Frequenz des

Ultraschallsenders fU ?

Anhang 126

Abbildung Stehende Welle.

Die Ultraschallwellenlänge berechnet sich mit : d⋅= 2λ .

Bei einer stehenden Welle gilt: fc ⋅= λ ,

wobei λ die Wellenlänge, c (c = 340s

m) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und f die

Frequenz ist.

Lösung der sechsten Aufgabe:

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Vergleiche Deinen errechneten Wert für die Frequenz des Ultraschallsenders fU mit dem

angegebenen Wert der Frequenz des Ultraschallsensors ( siehe Materialien)!

Stimmen sie überein? Erkläre! (mögliche Fehler?)

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Anhang 127

7.Aufgabe:

Für dieses Experiment stehen nun weitere Materialien, an denen die Ultraschallwellen

reflektiert werden können, zur Verfügung (Holz, Styropor, Schaumstoff, Baumwollstoff,

Pappkarton).

Tausche nun die Materialien im Rahmen aus und führe die benötigten Messungen durch. Der

Abstand zweier Minima soll jeweils zweimal bestimmt werden und dann aus den beiden

Werten der Mittelwert d gebildet werden.

Die Ultraschallwellenlänge λU in Luft und die Ultraschallfrequenz fU sollen nur für den

Mittelwert berechnet werden. Fülle die folgende Tabelle aus.

Lösung der siebten Aufgabe:

Material akritisch

(kritischer Abstand)

d1

(Abstand zweier Maxima)

d2

(Abstand zweier Maxima)

d (Abstand zweier Maxima)

λU

(Ultraschall-Wellenlänge)

fU

(Ultraschallfrequenz)

Kunststoff

Holz

Styropor

Schaumstoff

Baumwollstoff

Pappkarton

Tabelle Wertetabelle.

Vergleicht man nun die Werte bei härteren Materialien mit den eher weicheren Materialien,

so fällt folgendes auf:

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Anhang 128

8.Aufgabe:

Was passiert, wenn die von dem Auto ausgesandten Ultraschallwellen nun nicht wie bisher

auf eine senkrechte Fläche treffen sondern auf:

Abbildung Skizze von möglichen Flächen.

- eine schiefe Fläche (einen schiefen Gegenstand)

- eine unebene Fläche (einen unebenen Gegenstand)

- einen Stab (Pfosten)

- und andere Gegenstände.

Teste!

Lösung der achten Aufgabe:

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Anhang 129

• Versuchsergebnis:

Fasse den durchgeführten Versuch kurz zusammen!

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Warum leuchtet die LED einmal auf und dann wieder nicht? Wie kann man sich dieses

erklären?

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Man behauptet, dass der Ultraschall-Abstandwarner auf die gleiche Art und Weise arbeitet

wie das Puls-Echo-Prinzip bei den Fledermäusen.

Was versteht man unter dem Puls-Echo-Prinzip und inwiefern ist die Arbeitsweise des

Ultraschallsensors vergleichbar mit dem Puls-Echo-Prinzip der Fledermäuse?

( siehe dazu auch Kapitel II)

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Anhang 130

II) Der Ultraschallsensor im Auto (Einparkhilfe)

Was ist eine Einparkhilfe [3,4] ?

Oft ist die Sicht bei Fahrzeugen nach hinten und / oder nach vorne für den Fahrer

eingeschränkt, hier helfen Einparkhilfen. Eine Einparkhilfe soll unnötige Schrammen am

Fahrzeug und an Gegenständen vermeiden und dem Fahrer beim Einparken und Rangieren

behilflich sein.

Eine Einparkhilfe besteht aus mehreren (4-10) Ultraschallsensoren, die auf der Stoßstange

angebracht sind. Am Heck und an der Fahrzeugfront des Autos können Ultraschallsensoren

angebracht sein, die Hindernisse erkennen können. Diese Ultraschallsensoren haben einen

Durchmesser von ca. 15 mm. Durch eine optische und / oder akustische Anzeige im Auto

wird der Fahrer über den noch verbleibenden Abstand zu den Hindernissen informiert. Die

Einparkhilfe kann vom Fahrer abgeschaltet werden (z.B. im Stau). Die unten stehende

Abbildung zeigt einen Ultraschallsensor an der Fahrzeugfront.

Abbildung Ultraschallsensoren der Einparkhilfe.

Wie funktioniert eine Einparkhilfe?

Mit Hilfe von Ultraschallsensoren erfasst die Einparkhilfe die aktuelle Situation entweder vor

oder hinter dem Auto. Die Ultraschallsensoren können in einem Winkel von 120° Hindernisse

erfassen, dies bedeutet das auch eventuelle im Seitenbereich des Autos stehende Hindernisse

durch die Sensoren wahrgenommen werden können. Diese Ultraschallsensoren arbeiten wie

die Fledermäuse nach dem Puls-Echo-Prinzip. Ein Ultraschallsensor sendet einen kurzen

Ultraschallsensor

Anhang 131

Ultraschallimpuls aus und schaltet dann auf Empfang, um das Echo eines eventuell

vorhandenen Hindernisses zu erhalten.

Aus der Zeitdifferenz von Ultraschallsensor - Hindernis - Ultraschallsensor berechnet das

zugehörige Steuergerät den Abstand des Fahrzeugs zu dem Hindernis.

Der Fahrer kann auf zwei Arten über den noch verbliebenden Abstand informiert werden.

Entweder erhält der Fahrer ein optisches Signal auf einem Display und / oder es ertönt ein

akustisches Signal (Piepton). Die Entfernung zum Hindernis wird in mehreren Stufen,

nämlich zwischen ca. 20 cm und 160 cm angegeben. So weiß der Fahrer des Wagens immer

noch wie viel Platz hinter beziehungsweise vor dem Fahrzeug ist.

Abbildung Warnstufen [5].

Ein Warnton signalisiert die Entfernung zum Hindernis. Bei einer Distanz von 1,60 m meldet

sich erstmals der Warnton (je nach Einparksystem unterschiedlich). Die Wiederholfrequenz

des akustischen Signals erhöht sich mit abnehmender Entfernung zum Hindernis. Bei nur

noch 20 cm Rangierplatz wird das akustische Signal zum Dauerton.

Literaturhinweise:

[1] Firma Kemo-Electronic, http://www.kemoelectronic.com/de/bausaetze/b214/index.htm,

[18.06.2004].

[2] B. Eckert; Low- Cost- High- Tech, Freihandversuche Physik, Anregungen für einen

zeitgemäßen Unterricht, Aulis-Verlag, Köln, 2000.

[4] AUDI AG, Ingolstadt,

http://www.audi.com/jsp/crossfeatures/lexicon/lexiconDetails.jsp?lexiconId=62656&

lexiconChar=A&domainId=2&languageId=3, [19.06.2004].

[5] Directed Electronics Europe GmbH & Co.KG.Grevenbroich,

http://www.directed.de/security/caravan/einparksysteme.asp, [19.06.2004].

Anhang 132

Der Regensensor

Arbeitsblätter

Abbildung Versuchsaufbau Regensensor.

Inhaltsübersicht:

I) Modell des Regensensors

• Materialien Seite 133

• Versuchsvorbereitung Seite 133-134



II) Der reale Regensensor Seite 141-142

Anhang 133

I) Modell des Regensensors

• Materialien:

• Magnettafel

• Laserpointer

• Verschiedene Plexiglaskörper (Halbkreiskörper, rechteckiger Körper)

• Fotodiode

• Spannungsmessgerät

• Kabel

• Spritze mit Wasser

• Klebeband

• Baumwolltuch (Küchenrolle)


In diesem Versuch soll das Grundprinzip eines Regensensors - ähnlich wie in [1] - gezeigt

und erläutert werden. Bei dem Regensensor nutzt man die Brechung des Lichts aus.

1. Schritt des Aufbaus:

Als erstes wird die Winkelschablone an der Magnettafel befestigt und zwar so, dass sich die

90° Linie waagrecht auf der Magnettafel befindet. Als zweites wird der Plexiglaskörper an die

Magnettafel auf der Winkelschablone derart angebracht, dass die flache Seite des

Plexiglaskörpers waagrecht liegt. Später soll nämlich auf dieser flachen Seite Wasser

geträufelt werden, dass nicht direkt ablaufen darf. Nun wird der Laserpointer an der

Magnettafel angebracht (siehe nächste Abbildung). Er soll so an der Tafel befestigt werden,

dass das von ihm ausgesendete Licht gerade unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf

die waagrechte Seite des Plexiglaskörpers trifft.

Achtung: Der Laser ist kein Spielzeug! Der Laserstrahl darf nicht ins Auge fallen, da er

die Netzhaut verletzen kann!

Anhang 134

Abbildung Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 1).


1. Aufgabe: Experimentelle Bestimmung des Winkels der Totalreflexion

Bestimme den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas - Luft mit Hilfe

des Laserpointers, des Plexiglaskörpers und der Winkelschablone (Winkelscheibe).


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Experimentell bestimmter Grenzwinkel der Totalreflexion (Plexiglas - Luft): ...........................

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Anhang 135

2. Aufgabe: Rechnerische Bestimmung des Winkels der Totalreflexion

Berechne den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas - Luft mit Hilfe des

Brechungsgesetzes.

Brechungsgesetz: 1

2

2

1

2

1

sin

sin

n

n

c

c==

α

α

α1 , α2 = Einfallswinkel, Brechungswinkel

c1 , c2 = Geschwindigkeit im Medium 1, Geschwindigkeit im Medium 2

n1 , n2 = Brechungsindex im Medium 1, Brechungsindex im Medium 2

Absoluter Brechungsindex einiger Stoffe [2]: - Luft (bei 20°C) : nL ≈ 1

- Wasser (bei 20°C) : nW = 1,33

- Plexiglas (bei 20°C) : nP = 1,50 – 1,52


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Rechnerisch bestimmter Grenzwinkel der Totalreflexion (Plexiglas - Luft): ..............................

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3. Aufgabe:

Vergleiche den experimentell bestimmten Grenzwinkel und den errechneten Grenzwinkel mit

dem Grenzwinkel (Plexiglas - Luft) den Du aus dem Diagramm (siehe nächste Abbildung)

ablesen kannst.

Stimmen sie überein? Warum stimmen sie überein bzw. warum stimmen sie nicht überein?

Mit dem folgenden Diagramm kann man z.B. den Grenzwinkel der Totalreflexion für den

Übergang Plexiglas - Luft bestimmen (Luft / Glas entspricht x-Achse / y-Achse).

Anhang 136

Abbildung Diagramm für Einfalls- und Brechungswinkel [3].

Achte bei der Benutzung des oben stehenden Diagramms darauf, ob der Lichtstrahl vom

optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium geht oder umgekehrt!

Beispiel: Der Lichtstrahl geht vom Medium Wasser zum Medium Luft. Der Einfallswinkel im

Wasser beträgt αw = 25°. Aus dem Diagramm kann man nun ablesen, dass der

Brechungswinkel αL ≈ 30° beträgt.


Experimentell bestimmter Grenzwinkel

Rechnerisch bestimmter Grenzwinkel

Grenzwinkel Diagramm

Tabelle Grenzwinkel der Totalreflexion (Plexiglas - Luft).

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Anhang 137

4. Aufgabe:

Ist die Totalreflexion des Lichts von der Form des reflektierenden Körpers abhängig?

Teste! Wann tritt Totalreflexion auf?


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2.Schritt des Aufbaus:

Für die Versuchsdurchführung ist es besser, wenn der Raum abgedunkelt wird damit die

Fotodiode fast nur die Intensität des reflektierten Lichtbündels empfängt.

Nachdem der Laserpointer und der Plexiglaskörper an die Magnettafel angebracht wurden,

soll nun die Fotodiode an der Magnettafel befestigt werden (z.B. mit Klebeband). Die

Fotodiode wird benötigt um die Lichtintensität des reflektierten Lichtbündels zu bestimmen,

sie wird an ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Das Wasser kann mit Hilfe einer Spritze

auf die flache Seite des Plexiglaskörpers aufgetragen werden.

Abbildung Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 2).

Anhang 138

5. Aufgabe:

Mache den Laserpointer an, lasse das Lichtbündel des Laserpointers unter dem Winkel der

Totalreflexion durch den Plexiglaskörper treten und auf die Fotodiode fallen. Lese nun am

Spannungsmessgerät die Photospannung ab (versuche den maximalen Spannungswert zu

erreichen indem eine möglichst große Lichtmenge auf die Fotodiode fällt).

An einer Stelle der flachen Seite des Plexiglaskörpers trifft das Lichtbündel auf, dort sollen

nun mit Hilfe der Spritze Wassertropfen hingeträufelt werden. Beobachte dabei stets das

Spannungsmessgerät.

Wiederhole diese Messung dreimal. Bilde nach den Messungen den Mittelwert.

Versuchsnummer 1 2 3 Mittelwert

Spannungswert

ohne Wasser

Spannungswert

mit Wasser

Tabelle Photospannung.

Mit einem Tuch kann man nun das Wasser wieder aufnehmen und eine Umkehrung des

Effektes erkennen, nämlich eine Zunahme der Spannung .

Was kann man beobachten, wenn man das Wasser auf die Stelle an der flachen Seite des

Plexiglaskörpers aufträufelt, an der das Lichtbündel auftrifft?

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Wie bekommt man mit Hilfe des Wassers und diesem Aufbau den minimalsten

Spannungswert?

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Anhang 139

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Versuche das durch den Wassertropfen austretende Lichtbündel (den gebrochenen Strahl)

darzustellen (Skizze).

Zeichne dazu auch den einfallenden und reflektierten Laserstrahl in die unten stehende Skizze

ein. Wird der gebrochene Strahl zum Lot oder vom Lot weg gebrochen? Und warum?

Beschrifte das Lot.

Abbildung Darstellung des Strahlenverlaufs.

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Anhang 140


Fasse den durchgeführten Versuch kurz zusammen.

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Warum nimmt die Photospannung ab, wenn man das Wasser an der Stelle auf die flache Seite

des Plexiglaskörpers träufelt, an der das Lichtbündel auftrifft? (Erklärung)

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Vergleiche das Experiment „Regensensor“ mit der Funktionsweise / Arbeitsweise des

Regensensors in der Realität ( siehe Kapitel II). Was fällt Dir auf? -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Anhang 141

II ) Der reale Regensensor

Abbildung Realer Regensensor und die Stelle, an der er sich am Auto befindet.

Der reale Regensensor wird innen am Auto an der Frontscheibe befestigt und arbeitet nach

folgendem Prinzip [1,5,6]:

Die wichtigsten Komponenten des realen Regensensors sind eine Sendediode (Leuchtdiode),

ein Prisma und eine Empfangsdiode. Die Sendediode gibt Infrarotlicht ab, welches mit Hilfe

eines Prismas in die Windschutzscheibe geleitet und an der äußeren Scheibenoberfläche

reflektiert wird. Der Winkel, unter dem das Licht von der Sendediode eingeleitet wird, ist so

gewählt, dass das Licht an der Außenseite der Scheibe (Trennstelle Glas - Luft) zu 100%

reflektiert wird. Es tritt also Totalreflexion ein.

An der Außenseite der Scheibe wird der Lichtstrahl mehrfach zwischen Scheibenoberfläche

und Sensorgehäuse reflektiert und anschließend über ein weiteres Prisma zur Fotodiode

geleitet. Empfängerdioden (Fotodioden) empfangen das reflektierte Licht.

Abbildung Schema zur Funktion des realen Regensensors (ohne Regentropfen) [5].

Anhang 142

Bei einer trockenen Windschutzscheibenoberfläche erreicht das Infrarotlicht, das die

Sendediode aussendet, die Empfangsdiode mit voller Stärke. Die empfangene Lichtmenge

hängt von der Regenintensität ab, weil Regentropfen die Reflexion an der Glasoberfläche zum

Teil aufheben. Der Anteil der reflektierten Lichtmenge dient als Steuergröße für die

Intervallzeit des Scheibenwischers.

Der Regensensor steuert in Abhängigkeit von der „gemessenen" Regenmenge die

Geschwindigkeit des Scheibenwischers. Je nachdem, ob es also stark regnet oder nur

vereinzelt Regentropfen fallen, steuert die Elektronik die Wischgeschwindigkeit so, dass der

Fahrer die Straße stets gut erkennen kann.

Abbildung Schema zur Funktion des realen Regensensors (mit Regentropfen) [5].

Eine integrierte Heizung hält den Messbereich von innen trocken um Fehlinterpretationen der

Elektronik durch Kondensationsfeuchte vorzubeugen.

Literaturhinweise:



[2] J. Grehn, Metzler Physik, Gesamtband, Hannover, 2.Auflage, 1998.

[3] Technische Universität München, http://www.physik.uni-

muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/grundwissen/11brechung/brechung.htm, [29.05.2004].

[5] Technische Universität München, http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/

web_ph09/umwelt_technik/11regensensor/regensensor.htm, [29.05.2004].

[6] Kfz-Technik Wiesinger, http://www.kfztech.de/kfztechnik/sicherheit/regensensor.htm,

[29.05.2004].

Anhang 143

Anhang 144

Der Airbagsensor

Arbeitsblätter

Abbildung Airbagsensor.

Inhaltsübersicht:

I) Modell des Airbagsensors

• Materialien Seite 145

• Versuchsvorbereitung Seite 145



II) Der reale Airbagsensor und

das Airbagsystem Seite 151-156

Anhang 145

I) Modell des Airbagsensors

• Materialien:

• Piezokristallkästchen von

Leybold

• Auto aus Legobausteinen

• Kabel

• Stahlkugel (m = 100g,

r = 1 cm)

• Massestück (50g)

• Metermaßstab

• Holzbrett

• Kunststoffbrett

• Schaumstoff

• Pappe

• Styropor

• Schnüre

• Schraubklemmen

(Tischklemmen)

• Waage

• Klebeband

• Rolle mit Halterung

• Speicheroszilloskop

• BNC- Stecker

• NF-Verstärker (Phywe)

• Drucksensor (Piezoelement)


In diesem Versuch soll das Grundprinzip des Auslösemechanismus eines Airbags - ähnlich

wie in [1] - gezeigt und erläutert werden.

Befestige mit Hilfe der beiden Schraubklemmen (Tischklemmen) das Holzbrett an einem

Ende des Tisches. Fixiere das Piezokristallkästchen auf dem Legoauto. Bringe hinter dem

Holzbrett eine Rolle an über die später eine Schnur mit Massestück abrollt. Das Massestück

soll an dem einen Ende einer Schnur befestigt werden, das andere Ende wird am Legoauto

montiert. Um die Strecke zu bestimmen, die das Legoauto mit dem Piezokristallkästchen bis

zum Holzbrett zurücklegt, wird auf dem Tisch ein Maßband mit Hilfe von Klebeband

befestigt. Verbinde nun jeweils das Piezokristallkästchen mit dem NF-Verstärker und den NF-

Verstärker an das Glühlämpchen mit Kabeln. Es ist sinnvoll die beiden Kabel zwischen

Legoauto und Verstärker zusammenzukleben und diese zu verdrillen. Wenn sich das

Legoauto bewegt ist es dann einfacher die beiden Kabel hochzuhalten, damit es in seiner

Bewegung nicht behindert wird. Bevor mit diesem Versuch experimentiert wird soll zunächst

mit einem Drucksensor gearbeitet werden.

Anhang 146


1.Aufgabe:

Als erstes soll die Funktion eines Drucksensors mit einem

piezoelektrischen Element getestet werden. Verbinde das

Kästchen auf dem das piezoelektrische Element befestigt ist

an ein Multimeter. Übe nun mit einem Finger auf das

piezoelektrische Element kurz Druck aus. Was kannst Du am Multimeter beobachten?


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2. Aufgabe:

Lasse das Legoauto, das mit einer Schnur über eine Rolle mit einem Gewicht verbunden ist,

senkrecht gegen das Holzbrett fahren. Wenn sich das Legoauto bewegt ist es sinnvoll die

Kabel hochzuhalten, damit das Legoauto in seiner Bewegung nicht behindert wird. Bevor das

Legoauto gestartet wird muss man darauf achten, dass die Kugel in Ruhe ist.

Was kannst du beim Glühbirnchen beobachten? Variiere die Strecke des fahrenden

Legoautos!


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-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Abbildung Drucksensor.

Anhang 147

3. Aufgabe:


senkrecht gegen das Holzbrett fahren. Führe dies für verschiedene Abstände (5 cm bis 50 cm)

durch und beschreibe was du beobachten kannst. Verbinde nun durch Kabel und BNC-

Stecker das Piezokristallkästchen mit dem Speicheroszilloskop und das Speicheroszilloskop

mit dem Glühlämpchen. Führe diesen Versuch für jede Stecke dreimal durch, lese dabei die

Spannung am Speicheroszilloskop ab und bilde aus diesen Spannungswerten (U1, U2, U3) den

Mittelwert (U ).


Strecke in cm 5 10 15 20 25

U1 in V

U2 in V

U3 in V

U in V

Tabelle Spannungswerte bei frontalem Aufprall des Legoautos (5 cm - 25 cm).

Strecke in cm 30 35 40 45 50

U1 in V

U2 in V

U3 in V

U in V

Tabelle Spannungswerte bei frontalem Aufprall des Legoautos (30 cm - 50 cm).

Was fällt Dir auf?

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Anhang 148

4. Aufgabe:

Wie kann man die Geschwindigkeit des Legoautos bei einer bestimmten Strecke berechnen?

Benutze eine Waage um die Massen von Legoauto und Gewicht (Massestück) zu bestimmen.


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-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5. Aufgabe


nicht senkrecht (sondern aus einem anderen Winkel) gegen das Holzbrett fahren. Beobachte

dabei die Spannungen am Speicheroszilloskop.

Führe diesen Versuch für zwei bestimmte Abstände (Holzbrett - Legoauto) durch. Führe dazu

jeweils drei Messungen durch und notiere die auftretenden Spannungen am

Speicheroszilloskop.

Vergleiche deine Beobachtungen beziehungsweise deine Werte mit den Beobachtungen /

Werten (für deine Strecke) aus Aufgabe 3.

Lösung der fünften Aufgabe:


Strecke: cm

Strecke: cm

Tabelle Spannungswerte bei seitlichem Aufprall des Legoautos.

Anhang 149

Was fällt Dir auf?

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6. Aufgabe:


senkrecht gegen verschiedene Materialien (Styropor, Schaumstoff) fahren.

Beobachte dabei die Spannungen am Oszilloskop. Führe diesen Versuch für zwei bestimmte

Abstände (Holzbrett - Legoauto) durch. Führe dazu jeweils drei Messungen durch und notiere

die auftretenden Spannungen am Oszilloskop. Vergleiche deine jetzigen Beobachtungen /

Werte mit deinen Beobachtungen / Werten aus Aufgabe 3.

Lösung der sechsten Aufgabe:


Strecke: cm

Styropor

Strecke: cm

Schaumstoff

Tabelle Spannungswerte beim Aufprall des Legoautos auf Styropor und Schaumstoff.

Was fällt Dir auf?

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Anhang 150


Fasse den durchgeführten Versuch kurz zusammen.

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Warum leuchtet die Glühbirne und weshalb leuchtet sie unterschiedlich hell?

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Beim Aufprall eines Autos auf ein Hindernis kommt es also auf verschiedenste Faktoren an.

Schreibe diese stichpunktartig auf!

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Anhang 151

II ) Der reale Airbagsensor und das Airbagsystem

Der Airbag

Ein Airbag (auch Prallkissen genannt; wörtlich übersetzt auch Luftsack) ist ein automatisch

aufblasbares Kissen, das bei einem Verkehrsunfall die Insassen eines Fahrzeugs vor

Verletzungen schützen soll [2].

1951 wurde der Airbag von Walter Linderer zum Patent angemeldet [3]. Walter Linderer

wollte mit Hilfe eines Pressluftsystems den Airbag möglichst schnell aufpumpen. Der

Kontakt für dieses Pressluftsystem sollte entweder in der Stoßstange des Autos oder vom

Fahrer selbst ausgelöst werden, in der Hoffnung der Fahrer reagiert möglichst schnell.

Versuche in den 60-er Jahren zeigten aber, dass das Pressluftsystem die Säcke nicht schnell

genug aufblasen konnte.

Das erste serienmäßig mit einem Airbagsystem ausgerüstete Fahrzeug wurde 1980 von

Mercedes- Benz (S-Klasse) vorgestellt [4].

Funktionsweise des Airbagsystems

Die Funktionsweise des Airbags soll hier auf der Grundlage von [2,3,5,6,7] beschrieben

werden. Die drei Hauptbestanteile des Airbagsystems sind:

Abbildung Aufbau eines Airbagsystems.

Für das erste Signal, welches die Aktivierung des Airbags zur Folge hat, ist die Sensorik

zuständig. Diese ist mit der Steuerungselektronik verbunden und leitet das Signal „Unfall“

weiter. Die Sensorik hat die Aufgabe den Unfall festzustellen. Der Airbag soll nur bei

bestimmten wirkenden Beschleunigungen ausgelöst werden, für diese Aufgabe ist der

Anhang 152

Beschleunigungssensor notwendig. Aufgrund seiner Messung der wirkenden Beschleunigung

entscheidet das Steuergerät, wann der Airbag auslöst.

Abbildung Funktionsweise eines Airbagsystems [6].

Das Problem, den Airbag in möglichst kurzer Zeit zu füllen wurde mit Hilfe von

Festtreibstoffen realisiert, so genannte pyrotechnischen Treibsätze.

Im Gasgenerator befinden sich die Festtreibstoffe in Form von Tabletten. Dieser

feuerwerkstechnischer Treibstoff wird elektrisch in Sekundenbruchteilen gezündet. Sie

brennen explosionsartig ab und setzen dadurch eine große Menge Gas frei. Durch die dadurch

entstehenden Stickstoffverbindungen wird der Airbag schlagartig gefüllt. In Sylvesterknallern

oder in Feststoffraketen (Booster) des Space-Shuttle werden diese Treibstoffe auch

verwendet.

Damit der Airbag den Insassen nicht zurückschleudert, sollte dieser schon aufgeblasen sein,

bevor der Insasse des Fahrzeugs den Sack berührt. Deshalb ist es lebensnotwendig, dass man

nicht zu nahe am Airbag ist, ein Mindestabstand von 12 cm gilt als optimal.

Wenn der Insasse vom Airbag aufgefangen wird ist es wichtig, dass sich der Sack teilweise

wieder entleeren kann. Durch die kleinen Öffnungen im Airbag kann das Gas (die

Stickstofffüllung) langsam entweichen, sobald der Insasse gegen den Nylonsack drückt.

Anhang 153

Abbildung Airbagbefüllung [6].

Maximale Schutzwirkung des Airbag-Systems kann man nur durch das Anlegen des

Sicherheitsgurts und durch eine richtige Sitzposition erreichen!

Ablauf eines Airbagsystems:

Tabelle Ablauf eines Airbagsystems [1].

Zeit in ms Vorgang

0 Crash des Fahrzeugs

0-5 Steuereinheit (bzw. Sensoren) erkennen, dass Zusammenstoß erfolgt ist

5 Zündung des Gasgenerators für den Luftsack

25 Körper bewegt sich aufgrund seiner Massenträgheit nach vorne

35 Luftsack ist gefüllt

60 Körper des Insassen taucht in den Luftsack ein; Gas entweicht bereits wieder

100 Fahrzeug kommt zum Stillstand

110 Körper fällt in den Sitz zurück; Luftkissen hat sich weitgehend entleert.

Wie funktioniert ein Airbagsensor?

Hier soll nun eine Art von Beschleunigungssensoren nach [8] erläutert und erklärt werden.

Die Beschleunigungssensoren messen alle nach dem gleichen Prinzip nämlich nach dem

Grundgesetz der Mechanik oder auch dem zweiten Newton’schen Axiom:

Anhang 154

Wirkt auf einen Körper mit der Masse m, eine Kraft F

, so erfährt dieser Körper eine

Beschleunigung a

.

amF

⋅= .

Messgröße ist die Beschleunigung a

, die auch oftmals als Vielfaches der Erdbeschleunigung

g (1 g = 2

81,9s

m ) angegeben wird.

Als piezoelektrische Beschleunigungssensoren eigenen sich piezoelektrische Bimorph-

Biegeelemente - zwei gegensinnig polarisierte piezoelektrischen Schichten - oder auch

Zweischicht- Piezokeramiken genannt.

Das Piezo- Biegeelement bzw. Biegebalken (mit der Nummer 1 in der unteren Abbildung

gekennzeichnet) ist das Kernstück des Beschleunigungssensors. Zwei gegensinnig

polarisierte piezoelektrischen Schichten die miteinander verklebt sind stellen den Biegebalken

dar (siehe Abbildung). Wirkt nun auf diesen Biegebalken eine Beschleunigung dann wird die

eine Hälfte des Biegebalkens gestaucht und die andere gedehnt. Die entstehende elektrische

Spannung AU wird von Elektroden, die an den äußeren Metallisierungsschichten des

Biegebalkens sitzen, abgegriffen.

Abbildung Biegelement des piezoelektrischen Beschleunigungssensors [8].

Das obere Bild der Abbildung zeigt den Beschleunigungssensor im Ruhezustand, das untere

Bild demonstriert eine auf das piezoelektrische Bimorph-Biegeelement wirkende

Beschleunigung a.

Anhang 155

In der unten stehenden Abbildung sind zwei Varianten der Sensorenanordnung nach [9] zu

sehen, zum einen eine zentrale Anordnung der Sensoren und zum anderen eine dezentrale

Anordnung der Sensoren.

Abbildung Zwei Varianten der Sensorenanordnung im Fahrzeug [9].

1 Beschleunigungssensor

(Crashsensor)

2 Airbag-Elektronik oder

Auslöselektronik

3 Warnlampe

4 Fahrer- Airbag

5 Beifahrer- Airbag

6 Energiereserve und

Safing-Sensor

Die Airbagelektronik löst den Airbag aus. Diese entscheidet anhand eines Rechenprogramms

(gespeicherte Daten von Crashversuchen werden mit den aktuellen Verzögerungswerte

vergleichen), ob der Airbag ausgelöst werden soll oder nicht. Jeder Sensor eines

Airbagsystem ist jeweils genau auf jeden Fahrzeugtyp / jedes Fahrzeugmodell abgestimmt.

Falls sich ein Unfall ereignet und die Verzögerungswerte sind hoch genug, so wird durch das

abgegebene Signal des Beschleunigungssensors ein Zündstrom ausgelöst der über eine

Leitung zum Gasgenerator gelangt; der Airbag wird ausgelöst. Es werden nur

Beschleunigungen mit Hilfe des Rechenprogramms ausgewertet die etwa das 4-fache der

Erdbeschleunigung übersteigen. Beim Anfahren des Autos oder bei leichtem Bremsen darf

der Airbag auf keinen Fall ausgelöst werden. Der Safing-Sensor dient dazu Fehlauslösungen

der Elektronik zu vermeiden. Nur wenn der Crashsensor (Beschleunigungssensor) und der

Safing-Sensor sich für eine Zündung entscheiden wird der Airbag gezündet.

Anhang 156

Literaturverzeichnis:



[2] Wikipedia, Die Freie Enzyklopädie, http://de.wikipedia.org/wiki/Airbag, [04.06.2004].

[3] WDR- Fernsehen, http://www.quarks.de/crash/06.htm, [30.05.2004].

[4] Daimler-Chrysler AG, Sicherheitsgurte und Airbags, Stuttgart RP 7259.0001,

[27.06.2003].

[5] http://www.google.de/search?q=cache:ZATYo027fS8J:www.rudolf-koch-

schule.de/projektwoche/praesentationen/airbagsensor.ppt+Walter+F%C3%BCssel

++der+airbag&hl=de, [04.06.2004].

[6] R. Brandt, Der Airbag, Unterricht Physik, Nr.66, [Dezember 2001].

[7] ADAC, Informationen aus der Fahrzeugtechnik, Haltbarkeit und Funktionssicherheit

von Airbagsystemen, April 2003.

[8] Robert BOSCH GmbH, Sensoren im Kraftfahrzeug, Gelbe Reihe, Stuttgart,

Ausgabe 2001.

[9] Uwe Rokosch, Airbag und Gurtstraffer, Vogel BUCHVERLAG, Würzburg, 2002.

Anhang 157

Teste deine Reaktionszeit I Materialien: Lineal Versuchsdurchführung21:

Für diesen Versuch benötigt man zwei Personen, eine Person die ein Lineal hält und eine Versuchsperson, die ihre Reaktionszeit testen will. Eine Person hält das Lineal so, wie es auf dem Bild links zu sehen ist. Die Versuchsperson legt ihre Hand um das Lineal, so dass sich die Null-Markierung an der Oberkante des Zeigefingers befindet aber das Lineal nicht berührt wird. Ziel der Versuchsperson ist es das Lineal möglichst schnell zu fangen, sobald die andere Person das Lineal loslässt. Die zweite Hand darf beim Fangen des Lineals nicht benutzt werden. Wichtig: Die Oberkante des Zeigefingers sollte an der Null-Markierung sein, damit man die durchfallene Strecke des Lineals besser ablesen kann. Frage: Wie kann man die Reaktionszeit der Versuchsperson berechnen? Lösung:

21 vgl.: Technische Universität München, http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/ web_ph11/heimversuche/03_freier_fall/reaktionszeit/reaktionszeit.htm, [29.5.2004].

Anhang 158

Lösung I:

s = 2

2

1gt ⇒ t = s

g⋅

2

g = 9,81 2

s

m

s in cm t in s

1 0.045

1.5 0.055

2 0.064

2.5 0.071

3 0.078

3.5 0.084

4 0.090

4.5 0.096

5 0.101

5.5 0.106

6 0.111

6.5 0.115

7 0.119

7.5 0.124

8 0.128

8.5 0.132

9 0.135

9.5 0.139

10 0.143

10.5 0.146

11 0.150

11.5 0.153

12 0.156

12.5 0.160

13 0.163

13.5 0.166

14 0.169

14.5 0.172

15 0.175

15.5 0.178

16 0.181

16.5 0.183

17 0.186

17.5 0.189

18 0.192

18.5 0.194

19 0.197

19.5 0.199

20 0.202

s in cm t in s

20.5 0.204

21 0.207

21.5 0.209

22 0.212

22.5 0.214

23 0.217

23.5 0.219

24 0.221

24.5 0.223

25 0.226

25.5 0.228

26 0.230

26.5 0.232

27 0.235

27.5 0.237

28 0.239

28.5 0.241

29 0.243

29.5 0.245

30 0.247

Anhang 159

Teste deine Reaktionszeit Teil II Materialien:

• Stoppuhr • Elektromagnet • Netzteil • Taster • Leuchtdiode/Lämpchen • Kabel

Aufbau22:

Versuchsdurchführung: Eine Person startet die Stoppuhr um die Reaktionszeit einer Versuchsperson zu testen. Die Leuchtdiode erlischt beim Drücken der Stoppuhr für einen kurzen Moment. Die Versuchsperson hält nun die Stoppuhr so schnell wie möglich durch Drücken des Tasters wieder an. Der zwischen dem Einschalten der Stoppuhr und dem Drücken des Tasters verstrichene Zeitraum ist die Reaktionszeit. Aufgabe: Führe den Versuch jeweils fünf mal durch und berechne dann den Mittelwert. Versuch 1 2 3 4 5 Mittelwert der

Reaktionszeit

t in s

22 vgl.: Universität Mainz, Medizinerpraktikumskript, Versuch 2, Seite 36.

Anhang 160

4.4 Lehrplan

Lehrplan MSS

In der MSS wird in eine Einführungsphase und eine Qualifikationsphase unterschieden. Die

grau unterlegten „Bausteine“ sind verpflichtend, die anderen „Bausteine“ gehören zu den

Wahlpflichtbausteinen, diese können vom Lehrer ausgewählt werden. In der linken Hälfte der

„Bausteine“ ist jeweils der Inhalt dargestellt und in der rechten Spalte sind Ziele und

Hinweise notiert [48].

Bausteine in der Qualifikationsphase des Grundfaches:

Wellen 10

- Wellenphänomene und beschreibende Größen; Interferenzprinzip - Licht als Welle; Doppelspaltexperiment - elektromagnetisches Spektrum

• Formale und begriffliche Grundkenntnisse bereitstellen. • Beabsichtigte Vertiefungen, Ergänzungen und Praktika sind mit den entsprechenden Wahlbausteinen möglich. Eine informative Darstellung des elektromagnetischen Spektrums ist ausreichend.

Akustik 10

- Schallphänomene und Schallwellenmodell - Schallwahrnehmung (Schallfeldgrößen, Ohr, Lärmschutz)

• Den Beschäftigungsgrad mit Wellen erhöhen bzw. ein elementares Verständnis der Schallwahrnehmung anstreben. • Der Zeitrahmen erfordert eine Schwerpunktsetzung. Zum Thema Lärm bietet sich ein projektartiges Arbeiten an. Alltagsbedeutung herausstellen und fachübergreifende Bezüge nutzen.

Bausteine in der Einführungsphase des Leistungsfaches:

Kinematik 10

- Bewegungsgrößen - gleichförmige Bewegung - gleichmäßig beschleunigte Bewegung

• Formale und begriffliche Grundkenntnisse bereitstellen und einen sicheren Umgang mit den Bewegungsgrößen einüben. • Entsprechend der didaktischen Absicht ist eine Kombination mit dem Baustein Dynamik

bedenkenswert. Begriffsbildung, Mathematisierung und Idealisierung im Sinne des Methodenlernens fördern.

Anhang 161

Dynamik 10

- Wechselwirkungskonzept für Kräfte - Trägheit - Wechselwirkungsprinzip - Grundgleichung der Mechanik

• Eine Vertrautheit mit dem Kraftkonzept bewirken und einen sicheren Umgang mit der Grundgleichung einüben. • Bei einem Aufbau der Mechanik über den Impuls oder die Impulsströme den Baustein Erhaltungssätze der Mechanik integrieren.

Erhaltungssätze der Mechanik 10

- Energie; Impuls - Energieerhaltungssatz - Impulserhaltungssatz

• Das Konzept der Erhaltung und die Methode des Bilanzierens in ihrer Bedeutung demonstrieren und deren Anwendung einüben. • Bei einem Zugang über mengenartige Größen diesen Baustein vorziehen. Eine Fortführung des Energiekonzeptes in entsprechenden Bausteinen der Qualifikationsphase beachten.

Bausteine in der Qualifikationsphase des Leistungsfaches:

Mechanische Wellen 10

- Entstehung und Ausbreitung von Wellen - Beschreibende Größen und Wellengleichung - Interferenz; Huygens'sches Prinzip - stehende Wellen

• Ein solides Grundwissen vermitteln. • Im Gegensatz zum Grundfach sind hier vertiefende Übungen zu empfehlen. Es kann auch sinnvoll sein, interaktive Computersimulationen zu nutzen. • Praktikum: Stehende Wellen

Festkörperphysik 10

- Bändermodell - Eigenschaften von Festkörpern (elektrische, thermische, magnetische, optische)

• In grundlegende Modellvorstellungen einführen und anhand exemplarischer Beispiele einen vertieften Einblick geben. • Die Behandlungstiefe richtet sich nach der Kursfolge und inwieweit quantenmechanische Kenntnisse bereitstehen.

Anhang 162

Akustische Wellen 10

- Schallerzeugung (Ton, Klang, Geräusch, Musikinstrumente,...) - Schallausbreitung (Schallgeschwindigkeit, Wellenmodell, Interferenz, Dopplereffekt) - Schallwahrnehmung (Schallfeldgrößen, Ohr, Lärmschutz, technische Akustik)

• Den Beschäftigungsgrad mit Wellen erhöhen und einen Überblick mit einem vertiefteren Einblick anstreben. • Der Zeitrahmen erfordert eine Schwerpunktsetzung. Ein projektartiges Arbeiten bietet sich an. Schülerinteressen aufgreifen, Alltagsbedeutung herausstellen, fachübergreifende Bezüge nutzen. • Praktikum: Schallgeschwindigkeit

Lehrplan Mittelstufe (Klasse 10):

Lerninhalte mit Erläuterungen Hinweise 1. Lichtausbreitung

Lichtquellen, Lichtbündel und Lichtstrahl Licht und Schatten 2. Licht an Grenzflächen

Streuung und Reflexion Reflexionsgesetz am ebenen Spiegel Bild am ebenen Spiegel Brechung und Totalreflexion Brechungsgesetz Strahlenverlauf am Prisma Dispersion und Spektrum

ca. 3 Std. Lichtstrahl als Modellvorstellung ->M

Sonnen- und Mondfinsternis -> Ek

ca. 9 Std.

-> M: Achsenspiegelung Lichtleiter, Katzenaugenreflektoren ->Vk Quantitativer Zusammenhang nur über Tabelle und Graph zu ß = f (a)

-> Vk: Sehen und gesehen werden Fahrzeugbeleuchtung Schülerübungen mit Stecknadel- experimenten Stecknadel-Schülerexperimente Farben in der Umwelt, ggf. gemeinsam mit Wahlthema als Projekt ausarbeiten

Lerninhalte mit Erläuterungen Hinweise

1. Leitfähigkeit von Halbleitern

Einfluss von Temperatur und Beleuchtung auf die Eigenleitung von Halbleitern Störstellenleitung

2. Halbleiterdiode

Diode in Durchlass- und Sperrrichtung Gleichrichterwirkung Fotodiode, Fotoelement

ca. 4 Std.

Elektronen- und Löcherleitung n- und p-Dotierung

ca. 4 Std.

Effekte an der p-n-Grenzschicht Gleichrichtung von Wechselstrom mit Einweg- und Brückengleichrichtung Solarzelle

Heißleiter und Fotowiderstand als steuer- bare Widerstände

-> Umwelt: Fotovoltaik

Anhang 163

Lerninhalte mit Erläuterungen

3. Transistor

Transistoreffekt Stromverstärkung am Beispiel der Emitterschaltung Transistor als Verstärker und Schalter

ca. 6 Std.

Einfache Anwendungsbeispiele z.B. Mikrofonverstärker, Schaltbetrieb mit steuerbarem Widerstand

Hinweise

Gelegenheit für Schülerexperimente -> Umwelt: Ausblicke auf Alltagsbedeutung der Halbleitertechnik -> ITG: Entwicklung der Datenverarbeitung

Abbildungsverzeichnis 164

4.5 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Skizze zur Herleitung der Wellengleichung.........................................................7

Abbildung 2 Skizze zur Herleitung des Reflexionsgesetzes. ....................................................8

Abbildung 3 Gangunterschied zweier Wellen...........................................................................9

Abbildung 4 Konstruktive und destruktive Interferenz zweier Wellen...................................10

Abbildung 5 Stehende Welle auf einem Seil...........................................................................10

Abbildung 6 Stehende Welle...................................................................................................11

Abbildung 7 Hörbereich und Stimmumfang von Mensch und Tieren. ...................................13

Abbildung 8 Tiefenmessung mit dem Echolot. .......................................................................14

Abbildung 9 Ultraschallbild von Zwillingen...........................................................................15

Abbildung 10 Fledermäuse......................................................................................................15

Abbildung 11 Reflexion einer Welle.......................................................................................16

Abbildung 12 Reflexion und Brechung eines Lichtstrahls......................................................17

Abbildung 13 Brechung von Licht. .........................................................................................18

Abbildung 14 Totalreflexion. ..................................................................................................19

Abbildung 15 Reflexion, Brechung und Totalreflexion beim Übergang Wasser/ Luft. .........20

Abbildung 16 Piezoeffekt........................................................................................................22

Abbildung 17 Darstellungsformen des piezoelektrischen Effekts mit

skizziertem Aufbau eines Kraftsensors. ...........................................................................24

Abbildung 18 Darstellung des Schub-Scher-Effekts...............................................................24

Abbildung 19 p-n-Übergang bei der Halbleiterdiode in Durchlassrichtung und in

Sperrrichtung gepolt. ........................................................................................................28

Abbildung 20 Bild einer Diode und einer Fotodiode ..............................................................29

Abbildung 21 Schematischer Aufbau einer Fotodiode............................................................29

Abbildung 22 Brieftauben und Biene. .....................................................................................34

Abbildung 23 Elefantenrüsselfisch..........................................................................................34

Abbildung 24 Analogie der menschlichen Sinnesorgane zu den Sensoren der Technik. .......35

Abbildung 25 Grundfunktion eines Sensors............................................................................35

Abbildung 26 Mögliche Arten von Sensorsystemen...............................................................37

Abbildung 27 Die Vielfalt der Fahrzeugsysteme mit Sensoren. ............................................38

Abbildung 28 Ultraschallsensor an der Fahrzeugfront............................................................41

Abbildung 29 Schnitt durch den Ultraschallsensor und Blockschaltbild des Ultraschall-

sensors. .............................................................................................................................41

Abbildung 30 Absicherungsbereich des Einparksystems........................................................42


Abbildung 31 Abstrahl- und Empfangscharakteristik eines Ultraschallsensors. ....................43

Abbildung 32 Optische Anzeige (Display) der Einparkhilfe. .................................................44

Abbildung 33 Bauset der Einparkhilfe. ...................................................................................45

Abbildung 34 Ultraschallsensoren am Auto............................................................................46

Abbildung 35 Abstandsberechnung für ein Einzelhindernis...................................................47

Abbildung 36 Regensensor am Auto.......................................................................................50

Abbildung 37 Schematischer Aufbau des Regensensors. .......................................................51

Abbildung 38 Skizze des Regensensors ohne und mit Regentropfen. ....................................52

Abbildung 39 Regensensor......................................................................................................53

Abbildung 40 Regensensor (Fahrzeuginnenraum). .................................................................54

Abbildung 41 Kapazitiver Regensensor. .................................................................................55

Abbildung 42 Piezoelektrischer Beschleunigungssensor. .......................................................57

Abbildung 43 Biegelement der piezoelektrischen Beschleunigungssensor. ...........................58

Abbildung 44 Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor. ...............................60

Abbildung 45 Kammstruktur der Sensormesszelle. ................................................................61

Abbildung 46 Schema des oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors mit

kapazitivem Abgriff..........................................................................................................62

Abbildung 47 Beschleunigungssensor SMB050D. .................................................................63

Abbildung 48 Einbaurichtung des Sensors&Spannungssignal im Falle eines Frontalcrashs. 63

Abbildung 49 Schematische Darstellung eines piezoresistiven Beschleunigungssensors. ....64

Abbildung 50 Mechanischer Beschleunigungssensor. ............................................................64

Abbildung 51 Originalzeichnung aus dem Patent von Walter Linderer. ...............................65

Abbildung 52 Airbagkomponenten. ........................................................................................66

Abbildung 53 Fahrermodul. ....................................................................................................67

Abbildung 54 Beifahrermodul.................................................................................................67

Abbildung 55 Schnitt durch den Topfgasgasgenerator. ..........................................................68

Abbildung 56 Rohrgasgenerator..............................................................................................69

Abbildung 57 Zwei Varianten der Sensorenanordnung im Fahrzeug. ....................................70

Abbildung 58 Steuergerät (im vorderen Fußbereich)..............................................................71

Abbildung 59 Safing-Sensor (Sicherheitssensor)....................................................................71

Abbildung 60 Auslösebereiche der verschiedenen Airbagsysteme.........................................72

Abbildung 61 Ultraschall-Abstandwarner mit Legoauto. .......................................................75

Abbildung 62 Bild des Ultraschallsensors...............................................................................76

Abbildung 63 Bild des Ultraschallsensors...............................................................................78


Abbildung 64 Schaltbild des Ultraschallsensors. ....................................................................79

Abbildung 65 Skizze des Versuchsaubaus des Ultraschallsensors (schematisch). .................80

Abbildung 66 Stehende Welle................................................................................................82

Abbildung 67 Schiefe und unebene Flächen. ..........................................................................85

Abbildung 68 Das Experiment „Der Ultraschallsensor“. ........................................................88

Abbildung 69 Ultraschallsensor mit Relais und Piezosummer. ..............................................89

Abbildung 70 Schaltskizze von Piezosummer. .......................................................................90

Abbildung 71 Versuchsaufbau Regensensor. ..........................................................................91

Abbildung 72 Fotodiode mit Gehäuse.....................................................................................92

Abbildung 73 Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 1)................................................................93

Abbildung 74 Diagramm für Einfalls- und Brechungswinkel. ...............................................95

Abbildung 75 Totalreflexion am rechteckigen Plexiglaskörper..............................................96

Abbildung 76 Skizze des Versuchsaufbaus (Teil 2)................................................................96

Abbildung 77 Plexiglaskörper ohne Wassertropfen und mit Wassertropfen. .........................98

Abbildung 78 Darstellung des Strahlenverlaufs . ....................................................................99

Abbildung 79 Airbagsensor...................................................................................................102

Abbildung 80 Drucksensor....................................................................................................104

Abbildung 81 Platine mit Sensor und Schaltskizze...............................................................109

Abbildung 82 Pinout des SMB050D. ....................................................................................110

Abbildung 83 Schülerpraktikum „Physik im Auto: Sensoren“. ...........................................115

Abbildung 84 Bewegungssensor. ...........................................................................................116

Abbildung 85 Weg-Zeit-Diagramm des Bewegungssensors.................................................116

Abbildung 86 Der Bewegungssensor im Schülerpraktikum im Einsatz. ..............................117

Abbildung 87 Der Bewegungssensor auf dem Wissenschaftsmarkt. ....................................118

Literaturverzeichnis 167

4.6 Literaturverzeichnis

[1] Joachim Grehn, Metzler Physik, Gesamtband, Schroedl Schulbuchverlag

GmbH (2.Auflage), Hannover, 1998.

[2] Horst Kuchling, Taschenbuch der Physik, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser

Verlag (16.Auflage), München, Wien, 1999.

[3] Prof. Dr. Franz Bader, Physik Gymnasium Sek.I, Schroedel Verlag GmbH, Hannover,

2001.

[4] Firma Kemo-Electronic, http://www.kemoelectronic.com/de/bausaetze/b214/index.htm,

[18.6.2004].

[5] Spital Region Oberaargau SRO, Langenthal,

http://www.sro.ch/a/fk/Zwilli_828.asp [18.6.2004].

[6] NABU - Naturschutzbund Deutschland e.V., Fledermäuse, Bonn,

http://www.nabu.de/ratgeber/fledermaeuse.pdf [18.6.2004].

[7] NABU - Naturschutzbund Deutschland e.V.,

http://www.nabu.de/m05/m05_02/01368.html, [18.6.2004].

[8] Demtröder, Experimentalphysik 1, Mechanik und Wärme, Springer Verlag Berlin

Heidelberg New York (3.Auflage), 2003.

[9] Ernst Leitner und Uli Finckh, Rupprecht Gymnasium München,

http://www.leifiphysik.de/, [18.06.2004].

[10] FAES.DE,

http://www.faes.de/MKA/MKA_Messprinzip/mka_messprinzip.html, [18.6.2004].

[11] Wikipedia, Die Freie Enzyklopädie, http://de.wikipedia.org/wiki/Diode [31.5.2004].

[12] Conrad Electronic GmbH, Bild der Fotodiode erhältlich unter: http://www1.conrad.de,

[31.5.2004].

[13] Demtröder, Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, Springer Verlag

Berlin Heidelberg New York (3.Auflage), 2004.

[14] P. A. Tipler, Physik, Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford,1994.

[15] H.-R.Tränkler/E.Obermeiner (Hrsg.), Sensortechnik, Handbuch für Praxis und

Wissenschaft, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York,1998.

[16] F.Wörlen, Piezoelektrizität bei Polymeren für den Physikunterricht, PdN-

Ph.6/39, Jahrgang 1990.

[17] Brockhaus Enzyklopädie, In zwanzig Bänden, Siebzehnte völlig neubearbeitete Auflage

des großen Brockhaus, F.A.Brockhaus, Wiesbaden,1966.


[18] J.Niebuhr/G.Lindner, Physikalische Messtechnik mit Sensoren, R. Oldenbourg Verlag

(3.Auflage), München, Wien, 1994.

[19] W.Geßner, Piezoelektrische Messung von Kräften und Kraftstößen, PdN-Ph.1/36,

Jahrgang 1987.

[20] M.Nientiedt, Piezokeramiken- HighTech im Alltag, Institut für Didaktik der Physik,

Universität Münster, Frühjahrestagung (Didaktik der Physik), 2002,

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[21] H.Schaumburg, Sensoren, Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik 3, Verlag:

B.G.Teuner, Stuttgart,1992.

[22] P.Hauptmann, Sensoren, Prinzipien und Anwendungen, Carl Hanser Verlag München‚

Wien, 1990.

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http://www.ntb.ch/Pubs/sensordemo/pdf/NTB_31_piezoresistiv_beschleunigung.pdf,

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[24] Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Welt der Physik,

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[28] BMW, BMW 5er Limousine, Freude am Fahren, 4 11 005 215 10 (L) 2, Germany, 2004.

[29] Kfz-Technik Wiesinger, http://www.kfz-tech.de/Einparkhilfe.htm, [29.05.2004].

[30] Schmid Robert, Regensensoren für Kraftfahrzeuge, DPMA Erfinderaktivitäten, 2002.

[31] Peugeot, Funktionsprinzip Automatischer Scheibenwischer (406),Ref.: 744-D-10/95.


web_ph09/grundwissen/11brechung/brechung.htm, [29.05.2004].


web_ph09/umwelt_technik/11regensensor/regensensor.htm, [29.05.2004].

[34] Kfz-Technik Wiesinger, http://www.kfztech.de/kfztechnik/sicherheit/regensensor.htm,

[29.05.2004].


[35] Rokosch U. , Airbag und Gurtstraffer, Vogel Fachbuchverlag, Service Fibel, Würzburg,

2002.

[36] Baumgartner F. , Hochschule für Technik Buchs,

http://www.ntb.ch/Pubs/sensordemo/pdf/NTB_31_piezoresistiv_beschleunigung.pdf,

[15.06.2004].

[37] Wikipedia, Die Freie Enzyklopädie, http://de.wikipedia.org/wiki/Airbag, [04.06.2004].

[38] WDR- Fernsehen, http://www.quarks.de/crash/06.htm, [30.05.2004].

[39] Elberth C.-P., Die zündende Idee, Sicherheitsreport, Airbag- von der Idee zur Serie,

Auto&Technik, 19/1992.

[40] Arbeitskreis Gymnasium und Wirtschaft e. V., Mensch- Sicherheit- Technik,

Unterhaching, http://www.agw-ev.de:8080/agw/content/e5/e170/index_ger.html,

[2.10.2004]

[41] ADAC: Informationen aus der Fahrzeugtechnik, Der Airbag: Beurteilungskriterien zur

Frage: “Wann muss ein Airbag bei einem Unfall auslösen?“, [04.2000].

[42] B. Eckert, Low Cost - High Tech, Freihandversuche Physik, Anregungen für einen


[43] Allgemeingültige Hinweise für Bausätze, Drucksache Nr. M1003/06-002.

[44] ELEKTRONIK ACTUELL, Magazin 7/99 oder

Firma Kemo-Electronic, http://www.kemoelectronic.com/de/bausaetze/b214/index.htm,

(18.06.2004).

[45] R. Brandt, Der Airbag, Unterricht Physik, Nr.66, [Dezember 2001].

[46] Robert BOSCH GmbH, Technical Customer Documentation SMB05x/SMB06x,

Single/Dual-Channel Accelerometers for Airbag Applications, [03/99].

[47] PASCO, 10101 Foothills Blvd.Roseville, CA 95747,USA,

http://store.pasco.com/pascostore/showdetl.cfm?&DID=9&Product_ID=51050&Detail=1,

[24.11.2004].

[48] Lehrplan Physik für die Mittel- und Oberstufe, Rheinland-Pfalz, erhältlich unter:

www.bildung-rp.de/lehrplaene/index.phtml.

Dankeschön 170

Dankeschön An dieser Stelle meiner Examensarbeit möchte ich die Gelegenheit wahrnehmen mich bei

allen Menschen zu bedanken, die zum Gelingen dieser Examensarbeit beigetragen haben.

Mein ganz besonderer Dank gilt PD Dr. Thomas Trefzger, der es mir ermöglichte dieses

Thema, das im Zusammenhang mit dem Auto steht, zu bearbeiten. Er hatte immer Zeit für

meine Examensarbeit, sogar während seinen Auslandsaufenthalten in den USA und in

Großbritannien. Danken möchte ich ihm auch, dass er das komplette Schülerpraktikum

„Physik im Auto: Sensoren“ durchgeführt hatte, als ich kurzfristig ins Krankenhaus musste.

Mir ist es auch wichtig ihm für seine stets nette und freundliche Art zu danken.

Ich danke Herrn Prof. Dr. L. Köpke, dass er sich als Korrektor für diese Examensarbeit zur

Verfügung gestellt hat, obwohl er bis Anfang Dezember 2004 seinen Arbeitsplatz in den USA

hat.

Herrn Bruno Bauss danke ich insbesondere für die Unterweisung im Löten und Herrn Karl-

Heinz Geib für die Anfertigung von mechanischen Bauteilen.

Frau Silvia Müller danke ich für ihre Hilfsbereitschaft und Freundlichkeit.

Frau Anne Schmitt danke ich für ihre moralische Unterstützung.

Von ganzem Herzen möchte ich mich bei meiner Familie bedanken, meinen beiden jüngeren

Geschwistern Aline und Marc und meinen Eltern Ingrid und Alwin Sprick, für das in mich

gesetzte Vertrauen. Danken möchte ich meinen Eltern auch dafür, dass sie mir dieses Studium

ermöglicht haben.

Ganz lieben Dank an meinen Freund Holger Grzeschik, der immer für mich da ist und mich in

allen Situationen begleitet .

Erklärung 171

Erklärung Ich versichere,

dass ich meine Staatsexamensarbeit ohne Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der

angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt und die den benutzten Quellen wörtlich oder

inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Diese Arbeit hat in

gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.

Homburg, den 06.12.2004, __________________________________

Nadine Sprick

Impressum 174

Impressum Nadine Sprick

E-Mail: [email protected]

Matrikelnummer: 2511887

Johannes Gutenberg Universität Mainz

Institut für Physik – ETAP –

Staudingerweg 7

55099 Mainz

www.physik.uni-mainz.de/lehramt/autosensoren

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Physik im Auto: · PDF filejedem Sensor das zugehörige System im Auto erläutert und...

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