Elektrotechnik Neigungssensor: So widersteht er effektiv Schocks und Erschütterungen

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Der Neigungssensor IMU F99 gewährleistet stabile Neigungswerte für den Einsatz auf Baumaschinen oder mobilen Robotern. Durch ein Gyroskop werden Beschleunigungen kompensiert, was zu präzisen Neigungsmessungen führt. Der Sensor stellt somit die bessere Option im Vergleich zu herkömmlichen statischen Neigungssensoren dar.

Ein konventioneller, stationärer Neigungssensor funktioniert ähnlich wie eine Wasserwaage: Er misst den Neigungswinkel eines Objekts relativ zum Erdmittelpunkt. Dieser Winkel ist in zahlreichen mobilen Maschinen von entscheidender Bedeutung, da die Ausrichtung der gesamten Maschine für den Fahrer wichtige Informationen bereitstellt. Dies gewinnt insbesondere an Relevanz, wenn Bagger oder Traktoren an Hanglagen arbeiten. Darüber hinaus ist der Neigungswert nicht nur für das Gesamtfahrzeug von Interesse, sondern auch für den Einsatz von Anbaugeräten, Auslegern oder beweglichen Ladeflächen.

Herkömmliche statische Neigungssensoren

Statische Neigungssensoren weisen in bestimmten Situationen gewisse Einschränkungen auf, wie das folgende Beispiel verdeutlicht: Angenommen, auf einer Baustelle soll mit einer Planierraupe ein gleichmäßiger Höhenunterschied mit einem konstanten Gefälle von fünf Grad erstellt werden. In solchen Fällen müssen in der Regel die geschulten Augen und die Erfahrung des Maschinenführers herangezogen werden. Nach jeder Durchfahrt der Planierraupe erfolgt eine Nachmessung, und eventuelle Korrekturen werden in weiteren Durchfahrten vorgenommen, bis der Winkel ausreichend genau ins Erdreich planiert wurde.

Mithilfe einer Neigungsmessung am Raupenschild hingegen könnten die fünf Grad automatisch eingestellt und so der Arbeitsaufwand erheblich reduziert werden. Dennoch reicht die herkömmliche Neigungssensorik allein in solchen Situationen nicht aus. Das vorherrschende Verfahren zur Bestimmung solcher Winkelwerte ist der Einsatz von kapazitiven MEMS-Sensoren (Micro-Electro-Mechanical-System). Die Position ihrer Kondensatorplatten ändert sich durch Abweichungen von der Horizontalen, und aus der resultierenden Änderung der Kapazität lassen sich in statischen Situationen äußerst präzise Winkelwerte ableiten.

In dynamischen Situationen, wie bei jeder Baumaschine, trifft dies jedoch nicht mehr zu: Jede Beschleunigung wird von den Sensoren als Positionsänderung erfasst und als Änderung des Winkelwerts ausgegeben, selbst wenn sich die tatsächliche Neigung nicht verändert hat. Schnelles Beschleunigen oder Abbremsen, Stöße oder Vibrationen beim Überfahren von Bodenunebenheiten, Fliehkräfte bei Richtungsänderungen oder bei schnellen Kurvenfahrten führen daher zu Messfehlern. Nach einer solchen Bewegung pendelt sich der Sensor im Ruhezustand ein und gibt erst dann wieder den korrekten Wert aus.

Neigungssensor ermöglicht präzise Echtzeit-Messung des Neigungswinkels

Ein reiner MEMS-basierter statischer Neigungssensor ist nicht imstande, eine dynamische Neigungsmessung während der Bewegung einer Maschine durchzuführen, obwohl dies in vielen Szenarien, wie beispielsweise bei Planierraupen, äußerst vorteilhaft wäre. Die IMU-F99-Serie von Pepperl+Fuchs wurde entwickelt, um zuverlässige Neigungswerte auch in dynamischen Anwendungen bereitzustellen. IMU steht für „Inertial Measuring Unit“ oder inertiales Messsystem. Diese Geräte beinhalten nicht nur einen MEMS-Neigungssensor, sondern auch einen zusätzlichen Drehratensensor, auch bekannt als Gyroskop. Das Gyroskop liefert Messungen der Lageänderung in Grad pro Sekunde. Beide integrierten Sensorelemente führen Messungen in drei Achsen durch, um Daten für die x-, y- und z-Richtung zu generieren. Die Software ermöglicht eine effektive Kompensation des Einflusses der Maschinenbeschleunigung auf den Neigungswinkelwert.

Der eigens für diese Gerätereihe entwickelte Algorithmus sorgt dafür, externe Beschleunigungseffekte effizient auszugleichen, wodurch präzise Neigungswerte während der Fahrt oder Bewegung der Maschine bereitgestellt werden. Diese Präzision bleibt unverändert, egal ob die Maschine gleichmäßig in Bewegung ist, beschleunigt oder abgebremst wird. Die sofort verfügbaren, gefilterten Messwerte tragen erheblich zur Steigerung der Effizienz des Maschineneinsatzes bei. Dies ermöglicht eine exakte Steuerung von Auslegern, Baggerschaufeln oder Planierschilden während der Maschinenbewegung und eröffnet völlig neue Perspektiven für Arbeitsabläufe. 

Die erfassten Daten lassen sich ebenso in die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen für Baumaschinen und Landmaschinen einbinden. Insbesondere in anspruchsvollem Gelände kann der Lenkwinkeleinschlag automatisch begrenzt werden, um das Risiko des Umkippens der Maschine zu minimieren. In Bezug auf einen Kran kann das unkontrollierte Schwingen des Kranhakens unterdrückt werden, indem der Sensor direkt am Haken angebracht ist. Die IMU F99 erfasst präzise die Position des Hakens im Raum, wodurch die Kransteuerung automatisch Korrekturen vornehmen kann, ohne dass der Kranführer dies manuell durchführen muss.

Umfangreiche Messgrößen und Anpassungsmöglichkeiten

Die Sensoren bieten die Möglichkeit, externe Beschleunigungen auszugleichen, wobei eine Genauigkeit von besser als 0,5 Grad erreicht werden kann. Dies geschieht bei einer Winkelauflösung von 0,01 Grad. Die Daten werden über die CAN-Bus-Schnittstelle übertragen. Es stehen mehrere Messgrößen zur Verfügung, und diese können flexibel an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden. Die Übertragung der Daten erfolgt über die CAN-Bus-Schnittstelle. Diese Sensoren bieten eine Vielzahl von Messgrößen, die flexibel an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden können. Die Steuerung hat die Möglichkeit, sowohl die Rohdaten der einzelnen Sensorelemente als auch bereits kompensierte Winkelwerte zu verwenden. Zu den verfügbaren Rohdaten zählen Beschleunigung, Drehrate und Rotationsbeschleunigung. In Echtzeit werden kombinierte Daten wie lineare Beschleunigung, Gravitationsvektor, Euler-Winkel und Quaternionen berechnet und stehen unverzüglich zur Verfügung.

In der IMU F99 ist ein praktischer „Schieberegler“ integriert. Mithilfe dieses Reglers kann der Kompensationsbereich auf einer Skala von null bis sieben angepasst werden, um die optimale Stärke der Beschleunigungskompensation über den CAN-Bus festzulegen. In der Extrem-Einstellung null wird beispielsweise eine wirksame Kompensa­tion für kurze, intensive Stöße wie das Überfahren von Schlaglöchern erreicht. In der Extrem-Einstellung sieben gleicht das Gerät besonders langanhaltende lineare Beschleunigungsfahrten aus. In der Praxis lässt sich die ideale Konfiguration rasch durch einen Testlauf in der realen Anwendung ermitteln.

Neigungssensor: Simple Montage auch auf Bestandmaschinen

Zusätzlich zur Präzision und Echtzeitmessung eröffnet die Integration der Messgrößen Neigung, Drehrate und Beschleunigung klare wirtschaftliche Vorteile: Ein einzelnes Inertial­messsystem kann nun Aufgaben übernehmen, die zuvor den Einsatz mehrerer Geräte erforderten. Die Integration auf bestehenden Maschinen gestaltet sich unkompliziert, da für die Installation keine mechanischen Veränderungen an den Auslegern erforderlich sind. Ein Neugestalten von mechanischen Komponenten entfällt gänzlich.

Der Autor Markus Egerer arbeitet im Produktmanagement Neigungs- und Schwingungssensoren bei Pepperl+Fuchs.