Sensorik

Sensor für die Neigungs- und Beschleunigungsüberwachung in dynamischen Applikationen

| Redakteur: Jan Vollmuth

Die neuen Inertialmesssysteme F99-Fusion kombinieren konventionelle Beschleunigungssensoren mit Gyroskopen in einem Gerät.
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Die neuen Inertialmesssysteme F99-Fusion kombinieren konventionelle Beschleunigungssensoren mit Gyroskopen in einem Gerät. (Bild: Pepperl+Fuchs)

Die neuen inertialen Messsysteme F99-Fusion kombinieren erstmals konventionelle Beschleunigungssensoren mit Gyroskopen in einem einzigen Gerät.

Alles hat seine Grenzen, in diesem Fall physikalische: Neigungs- und Beschleunigungssensoren messen den Neigungswinkel, bzw. die beschleunigte Bewegung eines Objekts in Bezug zur Gravitation der Erde. Sobald in dynamischen Anwendungen neben der Erdanziehung weitere Kräfte auf die Sensoren wirken, wie z.B. Trägheits- oder Fliehkräfte, stoßen konventionelle Sensoren physikalisch bedingt an ihre Grenzen – Messfehler entstehen. Die neuen inertialen Messsysteme F99-Fusion von Pepperl+Fuchs sollen nun externe Beschleunigungen kompensieren können und versprechen damit fehlerfreie Messungen.

So funktionieren MEMS-Sensoren

Neigungs- bzw. Beschleunigungssensoren überwachen den Neigungswinkel von Objekten und deren Nivellierung in einem frei wählbaren Winkelbereich zwischen 0° und 360°. Sie erfassen ihre aktuelle Ausrichtung auf Basis der Beschleunigungsmessung. In der Regel basieren solche Sensoren auf mikromechanischen Messelementen nach dem Prinzip eines Feder-Masse-Systems. In den sogenannten MEMS-Sensoren (Mikro Ele ctromechanical Spring Mass System) befinden sich gestapelte Platten, die über Federelemente miteinander verbunden sind. Die äußeren Platten sind fest, die mittlere zusammen mit der seismischen Masse beweglich. Ihre Beweglichkeit wird durch die Spiralfedern begrenzt.

Durch diesen Aufbau entsteht eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität. Veränderlich deshalb, weil sich der Plattenabstand der beiden Kondensatoren durch die Beschleunigung der Masse, respektive Gravitation verändert. Der Plattenabstand verändert die Kapazität eines Kondensators proportional zur Beschleunigung. Diese Kapazitätsänderung wird gemessen und daraus zusammen mit der Rückstellkraft der Federelemente die Beschleunigung bzw. Neigung berechnet.

Systembedingte Messfehler

„Eine Unterscheidung, ob nun die Erdanziehungskräfte zu einer Veränderung der Plattenabstände führen oder ob diese aus extern einwirkenden Kräften resultieren ist so nicht möglich“, erklärt Stefan Horvatic, der verantwortliche Produktmanager bei Pepperl+Fuchs. Messfehler die aus Trägheits- oder Fliehkräften resultieren, haben im schlimmsten Fall Schäden, mit Sicherheit aber Effizienzeinbußen zur Folge.

Dem sollen die neuen Inertialmesssysteme F99-Fusion eine Ende bereiten: Sie kombinieren erstmals konventionelle Beschleunigungssensoren mit Gyroskopen in einem Gerät. Die so integrierten Sensorelemente messen jeweils in drei Achsen. Damit können alle Daten immer in X-, Y- und Z-Richtung erfasst werden – was 360°-Messungen ermöglicht. Wo also bisher für anspruchsvolle Anwendungen mehrere Geräte benötigt wurden, soll nun ein einzelner F99-Fusion genügen: Das spart Zeit und Kosten sowohl bei der Beschaffung als auch bei der Integration der Sensoren.

Intelligenter Sensorfusionsalgorithmus

Hinter der Kompensation, also dem Erkennen und Filtern von externen Beschleunigungskräften, steckt ein intelligenter Sensorfusionsalgorithmus. Speziell von Pepperl+Fuchs entwickelt, verknüpft er die sich ergänzenden Informationen der unterschiedlichen Sensorelemente miteinander. So ist das System laut Hersteller in der Lage, externe Beschleunigungen effektiv auszugleichen und dem Anwender auch bei dynamischer Bewegung präzise Neigungsdaten zu liefern – und zwar unabhängig davon, ob das System gerade bewegt, beschleunigt oder gebremst wird. Dies optimiert die Leistungsfähigkeit solcher Systeme, weil ohne Zeitverlust gefilterte Messwerte exaktere und schnellere Bewegungsabläufe ermöglichen.

Die neuen F99-Fusion sollen die Möglichkeit bieten, Ausgabedaten je nach Anforderung optimal auf Applikationen anzupassen. Dabei können Anwender sowohl die Rohdaten aus den einzelnen Sensorelementen sowie die verschiedenen berechneten Fusionsdaten nutzen.

Ergänzendes zum Thema
 
Neigung und Beschleunigung in einem Gerät zuverlässig erfassen

Inhalt des Artikels:

  • Seite 1: Sensor für die Neigungs- und Beschleunigungsüberwachung in dynamischen Applikationen
  • Seite 2: Programmierbare Filter

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