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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Ultraschallsensor.
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Gegenwärtig weisen Fahrzeuge zur Erkennung der Umgebung Ultraschallsensoren auf. Diese Ultraschallsensoren weisen eine Membran auf, auf welcher ein piezoelektrisches Element angeordnet ist. Mittels des piezoelektrischen Elements kann die Membran in Schwingung versetzte werden, so dass ein Ultraschallstrahl in die Umgebung ausgesendet wird. Trifft eine Reflexion des Ultraschallstrahls auf die Membran auf, wird die Membran in Schwingung versetzt. Durch die Schwingung der Membran verändert sich eine an dem piezoelektrischen Element anliegende elektrische Spannung. Mittels einer Auswertung der an dem piezoelektrischen Element anliegenden Spannung kann auf eine Schwingung der Membran geschlossen werden. Mittels der Auswertung der Schwingungen der Membran kann auf eine Distanz eines Objekts in der Umgebung, an welchem der Ultraschallstrahl reflektiert wurde, zu dem Ultraschallsensor ermittelt werden. Werden mehrere Ultraschallsensoren als Verbund gleichzeitig betrieben, können durch die Auswertung der Signale der Ultraschallsensoren des Verbundes zusätzliche Informationen über die Objekte in der Umgebung ermittelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, dass zusätzlich zu einer Distanz eines Objektes zu der Membran auch die Ausrichtung des Objektes zur Membran erkannt werden kann. Dies hat zur Folge, dass es anhand des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors möglich ist, einen Winkel der auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Zudem ist hierfür kein Verbund einer Vielzahl von Ultraschallsensors nötig.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ultraschallsensor für ein Fahrzeug ein Gehäuse, ein Membran und ein Piezoelement aufweist. Das Piezoelement ist auf der Membran angeordnet. Die Membran ist schwingungsfähig in dem Gehäuse angeordnet. Das Piezoelement weist eine Masseelektrode, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Die Masseelektrode ist auf einer ersten Oberfläche des Piezoelements angeordnet. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind auf der zweiten Oberfläche des Piezoelements angeordnet. Die zweite Oberfläche ist der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet.
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Mit anderen Worten können durch ein solches piezoelektrisches Element zwei Spannungen, jeweils eine Spannung an der ersten Elektrode und eine Spannung an der zweiten Elektrode, gemessen werden. Hierbei ist jeder Elektrode ein Bereich auf der Membran zuzuordnen. Somit werden zwei Spannungswerte bestimmt, die jeweils zwei Abschnitten auf der Membran zuzuordnen sind. Durch eine Auswertung der ersten Spannung und der zweiten Spannung kann auf die Richtung einer Reflektion einer ausgesendeten Ultraschallwelle geschlossen werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt weist der Ultraschallsensor eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist zum Signalaustausch mit der Masseelektrode, mit der ersten Elektrode und mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden. Die Steuerelektrode ist eingerichtet, ein erstes eingefangenes Signal der ersten Elektrode mit einem zweiten empfangenen Signal der zweiten Elektrode zu vergleichen. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Differenz des ersten Signals zu dem zweiten Signal eine Richtung einer auf eine Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Ein Vorteil dieses Ausführungsform kann sein, dass eine Richtung einer auftreffenden Ultraschallwelle auf einfache Weise bestimmt werden kann. Dies verringert den Auswertungsaufwand.
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Bevorzugt ist die Steuerelektrode eingerichtet, eine Signaldifferenz mittels einer Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zu ermitteln. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Signaldifferenz einen Winkel auf der auf die Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mittels des Winkels eine präzisere Bestimmung der umgebenden Objekte vor dem Ultraschallsensor erreicht werden kann. Zugleich kann eine aufwandarme Ermittlung des Winkles der empfangenen Ultraschallwellen ein Vorteil dieser Ausführungsform sein.
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Bevorzugt liegt der ermittelte Winkel innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs. Besonders bevorzugt liegt der ermittelte Winkel der empfangenen Ultraschallwelle in einem Winkelbereich von ± 20 Grad. Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass eine Ermittlung des Winkels der empfangenen Ultraschallwelle in diesem Winkelbereich besonders zuverlässig ist. Zugleich ist der Winkelbereich von ± 20 Grad ein bevorzugter Kompromiss zwischen dem Herstellungsaufwand des Ultraschallsensors und der Erfassung der Umgebung.
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Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, um ein positives Vorzeichen der Signaldifferenz beim Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen auf der ersten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der zweiten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit eingerichtet, bei negativem Vorzeichen der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf den der zweiten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der ersten Elektrode zugeordneten Bereich der Membran, zu ermitteln. Die Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf der Anordnung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und dem Vorzeichen der Signaldifferenz eine Richtung der auftretenden Ultraschallwelle zu bestimmen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Richtung der auftreffenden Ultraschallwelle auf die Membran sein.
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Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, mittels einer mathematischen Gleichung und/oder einer Tabelle und/oder einer Grafik, basierend auf dem Betrag der Signaldifferenz, einen Betrag des Winkels der auftretenden Ultraschallwelle zu bestimmen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann eine präzisere Bestimmung des Betrags des Winkels der empfangenen Ultraschallwelle sein.
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Bevorzugt bedecken die erste Elektrode und die zweite Elektrode zusammen eine Mehrheit, insbesondere 90 %, der zweiten Oberfläche. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mit dem Bedecken einer Mehrheit der Oberfläche der zweiten Oberfläche eine Zuverlässigkeit der Schalldetektion verbessert wird. Insbesondere wird bei einem Abdeckungsgrad von 90 % der zweiten Oberfläche, durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode, eine Zuverlässigkeit und Qualität der Schalldetektion maximiert, ohne jedoch dabei eine Herstellbarkeit des Piezoelements über Gebühr einzuschränken. Somit stellt die Bedeckung der zweiten Oberfläche zu 90% einen optimalen Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit und Qualität der Schalldetektion und dem Herstellungsaufwand des Ultraschallsensors dar.
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Bevorzug ist die Masseelektrode seitlich an die erste Oberfläche zugeführt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass diese einfach herzustellen ist.
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Besonders bevorzugt ist die Masseelektrode durch die Mitte der zweiten Oberfläche hindurch zur ersten Elektrode geführt. Hierbei berührt die Masseelektrode weder die zweite Oberfläche noch die erste Elektrode noch die zweite Elektrode, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen der Masseelektrode der zweiten Oberfläche und/oder der ersten und zweiten Elektrode besteht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass hierdurch eine besonders platzsparende Bauweise ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist das Piezoelement drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Bevorzugt kann das Piezoelement als elliptische Form abgebildet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch eine drehsymmetrische Ausgestaltung des Piezoelements eine einfache Herstellbarkeit erreicht wird. Ein Vorteil der rotationssymmetrischen Ausgestaltung ist die besonders einfache Herstellbarkeit des Piezoelements.
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Bevorzugt weist das Piezoelement eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode auf. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind auf der zweiten Oberfläche angeordnet. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode bedecken dabei zusammen eine Mehrheit der zweiten Oberfläche, insbesondere 90 %. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind zum Signalaustausch mit der Steuereinheit elektrisch verbunden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass es möglich ist, zwei unterschiedliche Richtungen eines empfangenen Signals zu bestimmen. Dies erlaubt eine präzisere Bestimmung des Winkels der auftreffenden Ultraschallwelle. Dies wiederum erlaubt eine genauere Bestimmung der Umgebungsobjekte des Ultraschallsensors.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug aufweisend einen Ultraschallsensor nach einem der vorherigen Ausführungsformen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Ultraschallsensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2a eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2b eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2c eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2d eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem vierten Ausführungsformen der Erfindung,
- 2e eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2f eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 3 eine schematische Darstellung einer grafischen Zuordnung einer Signaldifferenz zu einem Winkel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Bevorzugt weisen alle Elemente, Einheiten und/oder Baugruppen in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen auf.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 mit einer Vielzahl von Ultraschallsensor 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensoren 20 weisen gemeinsam eine Steuereinheit 27 auf. Die Ultraschallsensor 20 sind eingerichtet eine Umgebung 1 des Fahrzeuge 10 zu erfassen.
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2a zeigt einen Ultraschallsensor 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Ultraschallsensor 20 weist ein Gehäuse 21, ein Membran 22 und ein Piezoelement 26 auf. Das Piezoelement 26 ist an der Membran 22 angeordnet. Die Membran 22 ist schwingfähig in dem Gehäuse 21 angeordnet. Das Piezoelement 26 weist eine Massenelektrode 23, eine erste Elektrode 24a und eine zweite Elektrode 24b auf. Die Massenelektrode 23 ist auf einer ersten Oberfläche des Piezoelements 26 angeordnet. Die erste Elektrode 24a und die zweite Elektrode 24b sind auf einer zweiten Oberfläche 25 des Piezoelements 26 angeordnet. Die zweite Oberfläche 25 liegt der ersten Oberfläche gegenüber.
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Der Ultraschallsensor 20 weist eine Steuereinheit 27 auf. Die Steuereinheit 27 ist zum Signalaustausch mit der Massenelektrode 23, der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, ein erstes empfangenes Signal der ersten Elektrode 24a mit einem zweiten empfangenen Signal der zweiten Elektrode 24b zu vergleichen. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, basierend auf einem Unterschied des ersten Signals zum zweiten Signal, eine Richtung der auf die Membran 22 aus der Umgebung 1 auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln.
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Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, eine Signaldifferenz mittels einer Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal zu ermitteln. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, basierend auf der Signaldifferenz einen Winkel der auf der Membran auftreffenden Ultraschallwelle zu ermitteln.
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Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, anhand des positiven Vorzeichens der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf den der ersten Elektrode 24a zugeordneten Bereich der Membran 22, vor dem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der zweiten Elektrode 24b zugeordneten Bereich der Membran 22, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit 27 eingerichtet, bei einem negativen Vorzeichen der Signaldifferenz ein Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen auf dem der zweiten Elektrode 24b zugeordneten Bereich der Membran, vor einem Auftreffen der Ultraschallwelle auf einen der ersten Elektrode 24a zugeordneten Bereich der Membran 22, zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit 27 eingerichtet, basierend auf der Anordnung der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b und dem Vorzeichen der Signaldifferenz eine Richtung der auftreffenden Ultraschallwelle zu bestimmen.
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Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, mittels einer Grafik basierend auf dem Betrag der Signaldifferenz und den Betrag des Winkels der auftreffenden Ultraschallwelle zu bestimmen.
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Die erste Elektrode 24a bedeckt zusammen mit der zweiten Elektrode 24b eine Mehrheit der zweiten Oberfläche 25. Die Masseelektrode 23 ist seitlich an die erste Oberfläche des Piezoelements 26 herangeführt.
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Das Piezoelement ist rotationssymmetrisch bzw. rund ausgebildet.
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2b zeigt eine schematische Darstellung des Ultraschallsensors 20 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Masseelektrode 23 durch die Mitte der zweiten Oberfläche 25 hindurch zur ersten Oberfläche geführt. Hierbei befindet sich die Masseelektrode 23 weder mit der ersten Elektrode 24a noch mit der zweiten Elektrode 24b in direktem elektrischen Kontakt.
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2c zeigt eine schematische Darstellung des Ultraschallsensors 20 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste und zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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Das Piezoelement 26 ist in dem dritten Ausführungsbeispiel elliptisch ausgebildet. Entsprechend sind die erste Elektrode 24a und die zweite Elektrode 24b als Halbellipse ausgebildet. In dem dritten Ausführungsbeispiel wird die zweite Oberfläche 25 zu 90 % von der ersten Elektrode 24a zusammen mit der zweiten Elektrode 24b bedeckt.
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2d zeigt eine schematische Ansicht eines Ultraschallsensors 20 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale auf wie das erste bis dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Piezoelement 26 eine dritte Elektrode 24c und eine vierte Elektrode 24d auf. Die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d sind ebenfalls auf der zweiten Oberfläche 25 des Piezoelements 26 angeordnet. Die erste Elektrode 24a, die zweite Elektrode 24b, die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d bedecken zusammen eine Mehrheit der zweiten Oberfläche 25. Die erste Elektrode 24a, die zweite Elektrode 24b, die dritte Elektrode 24c und die vierte Elektrode 24d sind zum Signalaustausch elektrisch mit der Steuereinheit 27 verbunden. Die Steuereinheit 27 ist eingerichtet, aus der Differenz des ersten bis vierten Spannungssignals der ersten bis vierten Elektrode 24a bis 24d zwei Richtungen zu bestimmen und damit eine präzisere Bestimmung des Winkels zu erreichen.
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2e zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 20 nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ähnliche Merkmale wie das erste bis dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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Das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass die Masseelektrode 23, anstatt wie in dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung seitlich an der zweiten Oberfläche 25 vorbeigeführt, durch die Mitte der zweiten Oberfläche 25 hindurchgeführt wird. Hierbei berührt die Masseelektrode 23 weder die zweite Oberfläche 25 noch eine der ersten der vier Elektroden 24a bis 24d. Das Piezoelement 26 sowie die erste Oberfläche und zweite Oberfläche 25 sind rund ausgebildet.
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2f zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 20 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das sechste Ausführungsbeispiel weist ähnliche Merkmale wie das erste bis fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom fünften Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Piezoelement 26, die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche 25 elliptisch ausgestaltet sind. Folglich sind die erste bis vierte Elektrode 24a bis 24d jeweils als Viertelellipsen ausgestaltet. Die erste bis zur vierten Elektrode 24a bis 24d bedecken 90 % der zweiten Oberfläche 25.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Grafik, welche eine Zuordnung einer gemessenen Spannungsdifferenz zu einem Winkel darstellt.
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Die X-Achse der Grafik 31 führt den gemessenen Spannungswert auf. Die Y-Achse 32 der Grafik führt den jeweiligen Winkel einer auftreffenden Ultraschallwelle auf die Membran auf. Die Kurve 30 in der Grafik der 3 stellt eine Zuordnung einer gemessenen Spannungsdifferenz zwischen der ersten Elektrode 24a und der zweiten Elektrode 24b zu einem Winkel dar. Der Nullgradwinkel 32a auf der Mitte der Y-Achse 32 aufgezeigt. Die Spannungsdifferenz mit dem Betrag von Null Volt 31a ist auf der Mitte der X-Achse 31 dargestellt. Wie dem Kurvenverlauf 30a zu entnehmen ist, zeigt sich um die Spannungsdifferenz von Null 31a herum ein lineares Verhalten zwischen der Spannungsdifferenz und dem Winkel. Die Randbereiche der Grafik zeigen ein Sättigungsverhalten zwischen der Spannungsdifferenz und dem Winkel. Somit ist besonders um den um die Spannungsdifferenz von Null 31a herum eine einfache und präzise Bestimmung eines Winkels aufgrund einer Spannungsdifferenz zu bestimmen.