Beschleunigungssensoren MEMS-Sensoren im Aufwärtstrend

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Althen GmbH Mess- und Sensortechnik

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Ob autonomes Fahren, präzise Navigation oder smarte Logistiklösungen: Ohne hochsensible MEMS-Sensoren und Gyroskope bleibt Bewegung ein blinder Fleck in der Industrie.

MEMS-Sensoren (Mikro-Elektromechanisches System) sind für den Einsatz auf der Leiterplatte gedacht. Sie werden dort oben oder an der Seite montiert. Je nach Anwendung kann ein Beschleunigungsaufnehmer, ein Drehratensensor (Gyroskop) oder ein besonders vielseitiger Inertialsensor (IMU) zur Erfassung von sechs Freiheitsgraden die richtige Wahl sein. Alle Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer von Althen zeichnen sich durch ihre hohe Präzision, Langzeitstabilität und einen breiten Mess- sowie Betriebstemperaturbereich aus. Stoß- und Vibrationsfestigkeit und geringer Stromverbrauch sind ebenfalls starke Argumente für ihren Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen. Als Sensorelement wird in den Gyroskopen ein ausbalancierter, vibrierender Silizium-MEMS-Ring verwendet. Dieser Aufbau sorgt für eine sehr geringe zeit- und temperaturabhängige Vorspannungsdrift und für eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Anwendungsbereiche für Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer

Gyroskope messen Drehbewegungen und Winkel- oder Drehgeschwindigkeiten. Im Unterschied zu anderen Rotationsmessern brauchen Gyroskope von Althen keinen festen Bezugspunkt. Sie messen von ± 25 bis ± 900°/s. Mit diesem großen Messbereich sind sie für die verschiedensten Systeme, von Robotern bis Drohnen, geeignet. Die linearen Beschleunigungssensoren decken den Messbereich von ± 0,25 und ± 70.000 g in einer oder mehreren Achsen ab. Neben der Geschwindigkeitsmessung eignen sie sich auch für Schwingungen, Verschiebungen oder Kippbewegungen.Die Anwendungsbereiche der Miniaturaufnehmer sind im Wesentlichen Lenkung und Navigation in anspruchsvollen Umgebungen und zunehmend auch für autonome Fahrzeuge. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Stabilisierung, beispielsweise in hochgenauen industriellen Umgebungen. Präzise Positionsbestimmung von Sendern und Empfängern ist essenziell für moderne Kommunikationssysteme. Besonders wichtig in diesem Zusammenhang ist die Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen in rauen Umgebungen und sogar im Weltraum.

Dank Sensoren funktioniert das Navi auch im Tunnel

Beschleunigungssensoren und Gyroskope sorgen dafür, dass sich Navigationssysteme im Auto auch dann aktualisieren, wenn das GPS-Signal ausfällt, zum Beispiel beim Durchfahren von Tunneln. Der Beschleunigungssensor erfasst die Veränderungen der Geschwindigkeit, während das Gyroskop die Lenkbewegungen festhält. So erfassen die Aufnehmer alle wichtigen Informationen für das Navigationssystem.

Anwendungen in der Fahrdynamik

Der Lebensretter Airbag braucht ein Signal, das ihn auslöst. Dazu wird ein Beschleunigungswert definiert, der einer Kollision entspricht und in der Folge das Entfalten des Airbag aktiviert. Der Beschleunigungssensor misst kontinuierlich. Dabei wirkt sich die Vibrationsfestigkeit positiv aus, weil das reine Beschleunigungssignal gemessen und nicht durch andere Bewegungen des Fahrzeugs gestört wird.Schleudern und andere unerwünschte Bewegungen werden durch Gyroskope erfasst. Sie sind dazu da, beim Überschreiten der eingestellten Werte das Stabilitätssystem zu aktivieren, damit das Fahrzeug wieder in die gewünschte ruhige Straßenlage gelangt. Konkret heißt das, dass die Information vom Sensor in Bruchteilen von Millisekunden an die verschiedenen Steuergeräte fließen muss. Nur wenn dieser Informationsfluss dank Sensorik reibungslos funktioniert, arbeiten die Stabilisierungs- und andere Fahrassistenzsysteme einwandfrei.

Zukunftsmusik, aber keine Science Fiction: Pakete per Drohne

Alles, was fliegt, muss auf sein Gewicht achten. Deshalb sind Miniatursensoren mit geringer Masse die richtige Wahl, um Bewegungsinformationen in zivilen Flugdrohnen zu erfassen. Ein möglicher Anwendungsfall ist die Auslieferung von Medikamenten oder kleinen Paketen. Die Zustellung aus der Luft soll gleichermaßen die Verkehrslage in Städten entlasten und dem Personalmangel begegnen. In mehrstöckigen Häusern könnte sogar der Gang zur Haustür entfallen, wenn die Lieferdrohne „ans Fenster klopft“.Auch in der Landwirtschaft finden Drohnen Anwendung: Beim sogenannten Smart Farming können auf diese Weise gezielt einzelne Pflanzen angesteuert und mit bestimmten Mitteln versorgt werden, zum Beispiel im Weinbau. Alle mobilen Anwendungen müssen zusätzlich zu ihrer technischen Funktionalität besonders auf ihren Stromverbrauch hin optimiert werden, damit die mitgeführten Akkus möglichst leicht bleiben können. Gleichzeitig muss auch im kompaktesten Format die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit gegeben sein, um belastbare Ergebnisse zu erzielen. Die Auswahl des geeigneten Aufnehmers für die jeweilige Anwendung ist immer ein Abwägen zwischen der benötigten Leistung und dem damit verbundenen Verbrauch beziehungsweise dem Gewicht der Komponenten.

Inertialsensoren (IMUs) mit Six Degrees of Freedom

Die Kombisensoren IMU erfassen alle Bewegungen. IMU kombinieren einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit einem dreiaxialen Drehratensensor. Man spricht deshalb von der Erfassung von sechs Freiheitsgraden (Six Degrees of Freedom). Zum Einsatz kommen diese Alleskönner etwa in Produktionsrobotern, wo alle Bewegungen der Arme und die jeweilige Beschleunigung gemessen werden. Nicht alle Komponenten dürfen hoher Beschleunigung ausgesetzt sein. Die Information zur Position, also wo sich Roboterarm und Roboterhand zu jedem Zeitpunkt im Produktionsprozess befinden, liefern die IMU ebenfalls.

OEM-Version oder Komplettsystem von Sensoren

Miniaturaufnehmer gibt es grundsätzlich in zwei Versionen: als OEM-Ausführung oder mit eigenem Gehäuse. Die Version im Gehäuse ist mit einem eigenen Stecker unmittelbar einsatzbereit. In der OEM-Ausführung können Anwender die Platine mit den aufgelöteten Sensoren in ihr eigenes System integrieren – wahlweise mit Lötpunkten oder Stiften. Die Sensoren können flach liegend (plain) oder hochkant stehend (orthogonal) auf der Platine angebracht sein. Individuelle OEM-Ausführungen können bei Althen innerhalb kurzer Zeit umgesetzt und auch in hohen Stückzahlen für die Serienanwendung geliefert werden.

Ali Bagheri arbeitet im Technischen Vertrieb der Althen GmbH Mess- und Sensortechnik.