Beschleunigungssensor

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Hier entsteht ein Artikel über Beschleunigungssensoren. Und damit es voran geht, sammeln wir mal Informationen:

Physikalische Grundlagen: Beschleunigung

Beschleunigung ist als die Änderung der Geschwindigkeit v=\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt} über die Zeit t definiert und lässt sich für eine konstante Beschleunigung während der Zeit t so definieren: a=\frac{v}{t}=\frac{2x}{t^2}

In SI-Einheiten: [a]=\frac{m}{s}\cdot\frac{1}{s}, womit wir bei den bekannten \frac{m}{s^2} sind.

Zur Messung bietet sich bei einem Sensor aber eher die mit ihr verbundene Kraft auf eine Masse m an: a=\frac{F}{m} mit der Kraft F in der Einheit [F]=N(\mathrm{ewton})=kg\cdot\frac{m}{s^2}.

Messverfahren

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Messverfahren, um Beschleunigungen zu messen:


MEMS Sensoren

Eine häufig eingesetze Variante bei MEMS-Sensoren ist, die Bewegung eines "Siliziumpendels" zu messen. Diese Messung geschieht idr. kapazitiv. Aus der gemessenen Verschiebung kann dann eine Beschleunigung abgeleitet werden. Anschliessend steht die Beschleunigungsinformation entweder analog oder digital am Sensorausgang zur Verfügung.

Der Einsatz solcher "Siliziumpendel" ist auch der Grund dafür, dass mit solchen Beschleunigungssensoren auch die Erdbeschleunigung gemessen werden kann.

Der Ausgang dieser Sensoren wird dann auf ein g = 9,81.\frac{m}{s^2} kalibriert.

Beispiel:

Ein Beschleunigungssensor (Z-Achse) mit 5V Betriebsspannung und einer Empfindlichkeit von 1 V/g wird so positioniert, dass seine Messachse kolinear zur Erdoberfläche steht.

Am Sensorausgang erscheint eine Spannung von 2.5V.

Wird der Sensor jetzt so gedreht, dass seine Messachse rechtwinklig zur Erdoberfläche steht, erscheint am Sensorausgang eine Spannung von 3.5V oder 1.5V (abhängig von der Richtung der Messachse).

Das hat den Vorteil, dass so ein Beschleunigungssensor zur Neigungsmessung eingesetzt werden kann,

Nachteilig ist, daß es durch diesen Effekt erschwert wird, Geschwindigkeitsänderungen eines Fahrzeugs zu messen, sobald dieses sich nicht absolut horizontal bewegt.


Piezosensoren

Ebenfalls häufig eingesetzt werden Beschleunigungssensoren auf Piezobasis. Diese Sensoren generieren ihre Ausgangsspannung durch die Verformung eines Piezokristalls (durch die Beschleunigung wird der Kristall verformt).

Solche Sensoren sind nicht in der Lage statische Beschleunigungen wie z.b. die Erdbeschleunigung zu messen.

Ein Vorteil solcher Sensoren ist u.a. dass sie sich selbst mit Energie versorgen und so zum Betrieb keine stabilisierte Versorgungsspannung benötigen.

Solche Sensoren werden häufig an einer Schnittstelle betrieben, welche mit Konstanstrom arbeitet (nicht zu verwechseln mit der 4..20mA Stromschnittstelle).

Beispieltypen

  • Analog (d.h Auswertung über ADC)
    • Freescale MMA7260 (3,3V, Low G, 3 Achsen)
    • STM LIS302SG (3,3V, Low G, 3 Achsen)
    • Colibrys VS9000.d (high-end 3D Mems Sensor)
    • VTI SCA610
  • Digital (d.h spricht I2C, SPI)
    • Freescale MMA7455 (3,3V, Low G, 3 Achsen)
    • STM LIS302DL (2.16-3.6V, Low G, 3 Achsen)
    • BMA150 (2,4V-3,6V, +/-2G, +/-4G, +/-8G)

Beschleunigungssensoren unterscheiden sich in der Empfindlichkeit (ab ca. +/- 1G), der Abtastrate (wenige Hz bis mehrere kHz) und der Auflösung (8bit - 16 bit).

Beim Einsatz von Beschleunigungssensoren sind diese Werte entscheidend, aber auch Linearität, Offset und Rauschen müssen u.U. berücksichtigt werden.

Für Präzisionsanwendungen mit hoher Bandbreite ist meistens das Ausgangsrauschen der limitierende Faktor. Rauscharme Sensoren mit Analogausgängen sind dann auch entsprechend teuer.

Viele Beschleunigungssensoren haben Schaltausgänge, die ein Über- und/oder Unterschreiten von Beschleunigungswerten signalisieren. Damit lassen sich Schock- oder Bewegungssensoren realisieren.