Du bist auf der Webseite für Kunden aus: Switzerland. Aufgrund Deiner Standortdaten schlagen wir folgende Version der Webseite vor: USA / US
Kunden-panel
in Deinem Warenkorb
Registrierung

Wie funktioniert und was ist ein Beschleunigungssensor?

2020-10-09

Was ist ein Beschleunigungssensor? Es ist ein Gerät zur Erfassung und Analyse der linearen Beschleunigung und Winkelbeschleunigung. Diese Funktion ist bei vielen wichtigen Geräten und Systemen erforderlich, die in nahezu allen Lebensbereichen verwendet werden – sowohl bei den Haushaltsgeräten für den täglichen Gebrauch, als auch bei professionellen Anwendungen für die Industrie oder für die Forschung und Entwicklung.

Aus diesem Beitrag erfahren Sie:

Was ist ein Beschleunigungssensor?

Die Beschleunigungssensoren werden bei Messungen der statischen Gravitationsbeschleunigung, welche die Festlegung des Neigungswinkels des gemessenen Objektes von der Vertikalen ermöglicht, sowie bei Messungen der dynamischen Beschleunigung infolge von Erschütterungen, Bewegungen, einem Schlag oder Vibrationen, d.h. Schwingungen mit einer geringer Amplitude und Frequenz von bis zu einigen Duzend Hz, eingesetzt.

Wie funktioniert der Beschleunigungssensor während der Erfassung von Vibrationen? Dieses Gerät wird direkt an dem vibrierenden Objekt eingebaut, wodurch die Energie der Schwingungen in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann, welches zu der aktuellen Beschleunigung des Objektes proportional ist.

Was macht ein Beschleunigungssensor? Die Messungen von Vibrationen werden normalerweise bei der Diagnostik des Betriebs von Maschinen, Geräten oder Konstruktionen, die großen Spannungen ausgesetzt sind, z.B. Stahlmasten, Brücken oder Bauobjekte, verwendet. Die Beschleunigungssensoren finden ferner auch zum Schutz vor Beschädigungen von u.a. bei Festplatten, der medizinischen Ausstattung und Sportausrüstung, in den Fotoapparaten und Kameras, Fernbedienungen, Kontrollern oder Navigationssystemen Anwendung.

Was ist ein Beschleunigungssensor? Es ist schlicht und einfach ein Umwandler der Beschleunigung, welcher die eigenen Bewegungen in einem Raum misst. Es gibt drei grundlegende Arten der Beschleunigungssensoren, von den Sie im weiteren Teil dieses Beitrags mehr erfahren werden.

Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?

Das Funktionsprinzip der Beschleunigungssensoren ist nicht besonders kompliziert. Die Beschleunigungskraft wird in der Einheit g gemessen und diese Messung kann in einer, zwei oder drei Ebenen erfolgen. Heutzutage werden am häufigsten die Beschleunigungssensoren mit 3 Achsen verwendet; diese bestehen aus einem System von drei Beschleunigungssensoren, wobei jeder Sensor die Beschleunigung in einer anderen Richtung misst – auf den Ebenen X, Y und Z. Beispiel eines Beschleunigungssensors mit drei Achsen ist das Modell OKYSTAR OKY3230. OKY3230

Wirkt die Beschleunigung auf einer beliebigen Ebene in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung, in welcher der Sensor positioniert wurde, wird der Beschleunigungssensor die Beschleunigung mit einem negativen Wert erfassen. Ansonsten wird die Beschleunigung mit einem positiven Wert gemessen.

Wirkt keine externe Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor, wird das Gerät ausschließlich die Erdbeschleunigung, d.h. die Gravitationskraft messen. Angenommen, dass ein Beschleunigungssensor mit 3 Achsen so positioniert wird, dass der Sensor in der Achse X nach links, der Sensor in der Achse Y nach unten, und der Sensor in der Achse Z nach vorne gerichtet werden und auf den Sensor wirken sich keine Kräfte ein, dann gibt der Beschleunigungssensor folgende Werte wieder: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g. Wird derselbe Beschleunigungssensor nach links ausgelenkt, werden folgende Werte angezeigt: X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Analog dazu, bei einer Auslenkung nach rechts zeigt die Ebene X die Werte X = -1 g. Die angegebenen Abhängigkeiten der Beschleunigungsmessung werden durch Algorithmen verwendet, welche den Betrieb des Beschleunigungssensors überwachen.

Welche Arten von Beschleunigungssensoren gibt es?

Unter den grundlegenden Arten von Beschleunigungssensoren unterscheidet man drei Typen: kapazitive Beschleunigungssensoren MEMS, piezoelektrische Beschleunigungssensoren und piezoresistive Beschleunigungssensoren.

Kapazitive Beschleunigungssensoren MEMS

Kapazitive Beschleunigungssensoren unter Anwendung der MEMS-Technologie sind die billigsten, populärsten und kleinsten Sensoren dieser Art. Wie funktioniert ein kapazitiver Beschleunigungssensor MEMS? Das Funktionsprinzip dieses Beschleunigungssensors besteht in der Platzierung eines gefederten Gewichts. Eine Federendung wird an die Verkleidung des kammartigen Kondensators, und die andere Federendung - an das montierte Gewicht angebracht. Unter der darauf einwirkenden Kraft bewegt sich das Gewicht auf den Federn, wodurch sich die Entfernung zwischen dem Kondensationselement und der Masse, und damit auch die Kapazität ändert. Beispiel des Beschleunigungssensors MEMS ist das Modell SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267 oder SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926.

SF-DEV-09267 SF-DEV-09267 SF-BOB-13926 SF-BOB-13926

Kapazitive Beschleunigungssensoren in der MEMS-Technologie werden hauptsächlich in den Wearable-Geräten, Mobilgeräten und den zahlreichen Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Einer der größten Vorteile der Beschleunigungssensoren MEMS ist die Möglichkeit der Montage direkt an einer Platine.

Unter den Nachteilen der MEMS-Systeme ist eine geringe Messgenauigkeit zu nennen, insbesondere bei Messungen höherer Amplituden und Frequenzen, wodurch sie für professionelle Anwendungen in der Industrie nicht geeignet sind.

Piezoresistive Beschleunigungssensoren

Eine weitere Art der Beschleunigungssensoren sind Sensoren, welche auf dem piezoresistiven Effekt basieren.Was macht ein piezoresistiver Beschleunigungssensor? Das Funktionsprinzip ist der Funktion eines Dehnungsmessstreifens, d.h. des Sensors zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen, sehr ähnlich. Diese Beschleunigungssensoren werden mit einem piezoresistiven Stoff ausgestattet, der sich unter Auswirkungen einer externen Kraft verformt und eine Änderung des elektrischen Widerstands verursacht.

Die Änderung des elektrischen Widerstands wird anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt, das durch das mit dem Beschleunigungssensor integrierte Empfangsgerät empfangen wird. Piezoresistive Beschleunigungssensoren zeichnen sich durch eine große Messbandbreite aus, wodurch sie Schwingungen mit hohen Amplituden und Frequenzen registrieren können, was u.a. bei unterschiedlichen Crashtests nützlich ist.

Ein weiterer Vorteil piezoresistiver Beschleunigungssensoren ist die Möglichkeit, langsam variierende Signale zu messen, wodurch sie in den inertialen Navigationssystemen zur Erfassung der Geschwindigkeit und der Bewegungen von Systemelementen verwendet werden können.

Die Funktionsweise des piezoelektrischen Beschleunigungssensors führt dazu, dass er gegen Änderungen der Umgebungstemperaturen nicht beständig ist und eine Temperaturkompensation erforderlich ist. Ferner haben diese Beschleunigungssensoren Probleme mit dem Aufspüren schwacher Signale und sie sind auch deutlich teurer als kapazitive Beschleunigungssensoren MEMS.

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren

Was ist piezoelektrischer Beschleunigungssensor? Dieser Sensor gehört zu den am häufigsten verwendeten Sensoren zur Messung von Vibrationsstärke. Aus diesem Grund werden die piezoelektrischen Beschleunigungssensoren in den Industrieanwendungen für die Diagnostik oder Kontrollen von Maschinen und Anlagen allgemein eingesetzt. Wie funktioniert ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor? Das Funktionsprinzip ist der Funktion der piezoresistiven Systeme ähnlich. Unter Einfluss der Beschleunigung ändert sich ihr elektrischer Widerstand jedoch nicht, sondern sie generieren die elektrische Spannung in einem bestimmten Wert.

Das Messelement in diesen Sensoren ist normalerweise das Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Das Blei-Zirkonat-Titanat generiert eine elektrische Ladung, wenn es sich verformt. Die piezoelektrischen Beschleunigungssensoren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit aus, wodurch sie in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden können – von den äußerst fortgeschrittenen und präzisen seismischen Messungen bis hin zu den Crashtests und zerstörenden Werkstoffprüfungen unter ungünstigen Bedingungen.

Das Ausgangssignal piezoelektrischer Beschleunigungssensoren wird normalerweise verstärkt und der Temperaturkompensation unterzogen. Die Berechnung der Bewegungen eines Objektes wird durch Übertragung des Signals an den Eingang des Integrators gefördert.

Sonstige Beschleunigungssensoren

Unter den sonstigen Aufbauarten der Beschleunigungssensoren sind die IEPE-Konstruktionen zu nennen, die zur Messung von Vibrationen allgemein verwendet werden. Bemerkenswert sind auch piezoelektrische Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang, die für den Betrieb unter extremen Temperaturen hervorragend geeignet sind.

Symbol: Beschreibung:
OKY3230 Sensor: Beschleunigungssensor; 3,3÷5VDC; I2C; MMA8451
SF-DEV-09267 Sensor: Beschleunigungssensor; analog; ADXL335; LilyPad; 20mm
SF-BOB-13926 Sensor: Beschleunigungssensor; 1,95÷3,6VDC; I2C; MMA8452Q; ±2,±4,±8g

LESE AUCH

Dein Browser wird nicht mehr unterstützt, bitte lade eine neue Version herunter