Was sind Trägheitssensoren und Anwendungen?

Inertialsensoren sind wesentliche Bestandteile vieler moderner Geräte. Sie werden verwendet, um Beschleunigung, Orientierung und Winkelgeschwindigkeit zu messen. Diese Sensoren sind besonders nützlich in Anwendungen, die eine präzise Positionierung oder Bewegungsverfolgung erfordern, wie Luft- und Raumfahrt, Robotik und autonome Fahrzeuge. Mit dem technologischen Fortschritt sind Trägheitssensoren kleiner, genauer und erschwinglicher geworden. Dieser Blogbeitrag gibt einen Überblick über Trägheitssensoren, ihre Montage, Anwendungen und zukünftige Trends.

Was sind Inertialsensoren?

Ein Trägheitssensor erkennt und misst die Beschleunigung, Neigung und Vibration eines Objekts. Es wandelt Trägheitskräfte in messbare elektrische Signale um. Es ist eine interessante und nützliche Fähigkeit. Es ist wichtig, um die Navigation, Orientierung und Bewegungsträgersteuerung zu lösen. Trägheitssensorkomponenten umfassen typischerweise Beschleunigungsmesser und Winkelgeschwindigkeitssensoren (Kreisel). Ihre ein-, zwei- und dreiachsigen Kombinationen IMU und AHRS spielen eine wichtige Rolle.

Mikrofabrikationstechnologie zur Herstellung von MEMS-Trägheitssensoren wird möglich. Diese Technologie wird zur Herstellung von Sensorelementen aus einkristallinem Silizium verwendet. Diese im Mikrometerbereich hergestellten Sensoren können fast alle wichtigen Systemdesigntreiber erfüllen. MEMS-Trägheitssensoren haben die gleichen Prinzipien wie makroskopische Trägheitssensoren. Mit kleinen Sensorzellen kann es kleinste Veränderungen an einem mehrere Meter langen Objekt erkennen. Diese kleinsten Änderungen umfassen die Position, Orientierung und Beschleunigung des Objekts.

Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Trägheitssensoren. Einer ist ein Beschleunigungsmesser, der die lineare Beschleunigung in einer oder mehreren Achsen messen kann. Leute benutzen oft diesen Beschleunigungsmesser. Das andere ist ein Gyroskop, das Winkelbewegungen messen kann. Diese Sensoren alle scheinen von Menschen für bestimmte Anwendungen gemacht zu sein. Dies liegt daran, dass diese Trägheitssensoren die Anforderungen vieler verschiedener Anwendungen erfüllen.

Bandbreite, Auflösung und Dynamikbereich dieser Sensoren variieren je nach Produkt. Zum Beispiel ist der Trägheitssensor eines Automobil-Airbag-Auslösesystems sehr hoch. Es muss eine Bandbreite von bis zu 0,5 kHz und eine Auflösung von über 500 mG haben. Sein dynamischer Bereich muss ungefähr innerhalb von +/-100 G liegen. Andere Arten von Geräten haben andere Anforderungen an diese Bereiche. Luftmikrogravitationsmessgeräte benötigen einen Trägheitssensor mit einem Breitband von 0-10 Hz. Aber seine Auflösung muss auf <1µG genau sein und einen dynamischen Bereich von weniger als +/-1G haben.

Hier ist ein PDF zur Trägheitssensorik für Navigationsanwendungen.

Trägheitssensoren nehmen in jeder Anwendung oder Ausrüstung eine äußerst wichtige Position ein. Es ist Teil des größeren Steuerungssystems des Geräts oder der Anwendung. Wenn Sie nur die Beschleunigung oder Winkelbewegung eines Objekts kennen, sind die Informationen nicht sehr nützlich. Dies liegt daran, dass die von diesem Sensor gesammelten Informationen normalerweise zur Steuerung der Bewegung des Geräts verwendet werden. Natürlich kann es auch einen Aktuator aktivieren, wie zum Beispiel das Öffnen eines Airbags in einem Auto.

Trägheitssensorbaugruppe

Beschleunigungssensoren

Der Beschleunigungssensor ist ein wichtiger Bestandteil eines Trägheitssensors, auch Beschleunigungssensor genannt. Der Sensor unterstützt die Beschleunigungsmessung in einer oder mehreren Achsen. Der Beschleunigungssensor besteht aus einem mechanischen Sensorelement (Standard-Masseblock) und einer Detektionsschaltung. Andererseits besteht das Sensorelement hauptsächlich aus einem Masseblock, der durch ein mechanisches Aufhängungssystem mit einem Referenzrahmen verbunden ist. Die Detektionsmasse ist eine sehr kleine seismische Masse in einem MEMS-Sensor. Andererseits besteht das mechanische Federungssystem aus hochwertigen Siliziumfedern.

Der Sensor wird durch Beschleunigung Trägheitskräften ausgesetzt. Nun weicht die Detektionsmasse von ihrer stabilen Position ab. Newtons zweites Bewegungsgesetz erklärt es gut. Die Laplace-Gleichung kann die Auslenkung eines Massenblocks gegen Beschleunigung ausdrücken.

X / a = 1 / (s 2 + b / m + s × k / m)

In dieser Gleichung stehen verschiedene Buchstaben für verschiedene Dinge. x steht für die Auslenkung des Masseblocks und a für die Beschleunigung. s bezeichnet den Laplace-Operator und b ist der Dämpfungsfaktor. m bedeutet die Masse des Masseblocks. k ist die mechanische Federkonstante des Aufhängungssystems.

Die Resonanzfrequenz des Sensors kann ausgedrückt werden als:

fn = √￣(k / m)

Die Qualitätsfaktorgleichung wird ausgedrückt als:

Q = √￣ (m × k) / b

Die Empfindlichkeit des Sensors (im offenen Regelkreis) wird ausgedrückt als:

S = m / k

Aus dem obigen Algorithmus ist es offensichtlich, dass eine Regel gesehen werden kann. Durch Erhöhen oder Verringern der Empfindlichkeit ändert sich die Resonanzfrequenz des Gegenstands. Mit einem Closed-Loop-System können Menschen diesen Kompromiss frei anpassen. Der Dämpfungsfaktor bestimmt die größte Bandbreite des Beschleunigungssensors. Der Dämpfungsfaktor ist in MEMS-Beschleunigungsmessern typischerweise variabel. Dieser Koeffizient steigt mit der Verschiebung der detektierten Masse.

Die Auslenkung des Masseblocks ist in allen mikromechanischen Beschleunigungsmessern messbar. Menschen können diesen Verschiebungsabstand durch eine Positionsmessschnittstelle messen. Das Messverfahren ist das gleiche wie bei der Kapazitätsmessung. Eine bewegliche Platte, die an dem Massenblock befestigt ist, bewegt sich zwischen festen kapazitiven Elektroden. Bei der Konstruktion des Beschleunigungsmessers werden mehrere unterschiedliche Arten von Erfassungsmechanismen angewendet. Diese Erfassungsmethoden umfassen piezoresistiven, piezoelektrischen, kapazitiven, optischen und Tunnelstrom.

Beschleunigungsmesser unterstützen Open-Loop- oder Closed-Loop-Systeme. Der Open-Loop-Beschleunigungsmesser verwendet ein elektrisches Signal von der Positionsmessschnittstelle. Und dann wandelt der Beschleunigungsmesser das elektrische Signal in ein Ausgangssignal um. Da Open-Loop-Beschleunigungsmesser einfach zu bauen sind, entscheiden sich die meisten Menschen dafür, sie zu verwenden. Open-Loop-Beschleunigungsmesser haben auch einen Nachteil – Menschen müssen sie mit hohen Toleranzen handhaben. Der Dämpfungsfaktor liegt daran, dass der Beschleunigungsmesser eine variable Federkonstante hat. Die Massenverschiebung eines Open-Loop-Beschleunigungsmessers erfordert auch eine Nichtlinearitätsprüfung.

Ein Beschleunigungsmesser mit geschlossener Schleife ermöglicht es der detektierten Masse, in ihre Ruheposition zurückzukehren. Es setzt auf ein Rückkopplungssystem, das die von der Masse ausgeübte Rückkopplungskraft verfolgen will. Diese Rückkopplungskraft ist proportional zur Beschleunigung des Beschleunigungsmessers im geschlossenen Regelkreis. Die Rückkopplungskraft hebt sich mit den Nichtlinearitäten auf, und die Empfindlichkeit hängt von der Rückkopplungssteuerung ab. Das Rückkopplungssignal kann auch verwendet werden, um die Dynamik des Sensors unter Verwendung einer elektrischen Signalsteuerung zu steuern. Es kann durch elektrostatische, thermische oder magnetische Kräfte angetrieben werden, um die Testmasse in ihre Ruheposition zurückzubringen. Menschen können das Rückkopplungssignal oft in analoger oder digitaler Form darstellen. Alle diese Konstruktionen tragen zur Komplexität des Sensors bei.

Es gibt viele Arten von Beschleunigungsmessern, und im Folgenden sind einige gängige Methoden zur Beschleunigungsmessung aufgeführt:

• Mechanische Beschleunigungsmesser
• Optische und akustische Oberflächenwellen-Beschleunigungsmesser
• Flüssigkeitsbasierte Beschleunigungsmesser
• Viskose Schwimmer-basierte Beschleunigungsmesser
• Druckbetriebene Beschleunigungsmesser
• Unverarbeitete flüssigkeitsbasierte Beschleunigungsmesser

Winkelgeschwindigkeitssensor

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, auch Gyroskop genannt, misst die Drehung eines Objekts. MEMS-Gyroskope verwenden hauptsächlich das Coriolis-Prinzip. Zwei Kräfte behindern eine Masse, die sich in einem rotierenden System bewegt. Diese beiden Kräfte sind die Kraft senkrecht zur Drehachse und die Kraft in Bewegungsrichtung. Ein mechanischer Mechanismus baut normalerweise ein MEMS-Gyroskop auf. Diese mechanische Struktur wird durch die Corioliskraft in Resonanz getrieben. Es regt Sekundärschwingungen in der gleichen oder sekundären Struktur an. Natürlich ist die Corioliskraft kleiner als die Antriebskraft. Somit verwenden alle MEMS-Gyroskope das Coriolis-Kraftphänomen in ihrer vibrierenden Struktur.

Ein Federpaar, das mit einem Masseblock im Innenrahmen verbunden ist, bildet die Schwingstruktur. Der innere und der äußere Rahmen sind durch einen weiteren Satz orthogonaler Federn verbunden. Zwischen dem inneren und dem äußeren Rahmen existiert ein kapazitätsempfindlicher Finger. Dieser Kapazitätserfassungsfinger ist auch entlang der orthogonalen Federn verbunden. Die Coriolis-Kraft nimmt mit der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Objekts zu, wenn die Geschwindigkeit des Objekts zunimmt. Es folgt auch in Richtung oder von der Rotationsachse weg. Die Prüfmasse wird dann kontinuierlich sinusförmig durch die interne Feder angetrieben. Die Resonanztestmasse wird der Coriolis-Kraft ausgesetzt, wenn das System rotiert. Die Masse wird dieser Kraft durch eine orthogonale Feder zwischen dem inneren und äußeren Rahmen ausgesetzt. Diese Kraft wird es verändern. Diese Kraft verändert den Abstand zwischen den kapazitiven Sensorfingern. Somit gibt der Winkelgeschwindigkeitssensor gleichzeitig das relevante elektrische Signal aus. Dieses Signal ist proportional zur Coriolis-Kraft.

Der Genauigkeitsbereich unterschiedlicher Untergruppen von Winkelgeschwindigkeitssensoren wird abweichen. Gängige Arten von Winkelgeschwindigkeitssensoren sind:

• Dynamisch abgestimmtes Gyroskop (DTG)
• Vibrationsgyroskope
• Optische Gyroskope
• Flüssigkeitsbasierte Winkelgeschwindigkeitssensoren
• Rate Integration Gyroskope
• Magnetohydrodynamische Gyroskope
• Zweiachsige Geschwindigkeitssensoren
• Jet- und Vortex-Gyroskope
• Mikrobearbeitete fluidbasierte Winkelgeschwindigkeitssensoren

Anwendungen für Trägheitssensoren

Inertialsensoren können in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Früher waren Trägheitssensoren normalerweise auf Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen beschränkt. Die rasante Entwicklung von MEMS-Trägheitssensoren wird für immer mehr Anwendungen verfügbar. Es ist in der Automobilindustrie und in verschiedenen Bereichen der Unterhaltungselektronik sehr gefragt.

Menschen verwenden Beschleunigungsmesser für Auto-Airbags und Sicherheitsgurte in der Automobilindustrie. Und Gyroskope werden in Anwendungen wie Überrollschutz und automatischen Blinkern eingesetzt.

Der Bereich der Unterhaltungselektronik hat ein breiteres Anwendungsspektrum. Menschen können es in Kameras, Virtual-Reality-Headsets, intelligenten Spielzeugen und Gaming-Tastaturen verwenden. Smartphones und Tablets, die in unserem Leben verwendet werden, sind mit Trägheitssensorsystemen ausgestattet. Es wird hauptsächlich verwendet, um Bildschirmdrehungen und Spiele zu erkennen und das Realitätsgefühl des Benutzers zu verbessern.

Es unterstützt Benutzer auch dabei, die Position und Ausrichtung von Robotermanipulatoren und fahrerlosen Roboterfahrzeugen zu überprüfen. Diese Sensoren können auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden. Es kann Ärzten helfen Patienten verfolgen an bestimmten Krankheiten leiden. Zum Beispiel die Überwachung von Patienten mit Parkinson-Krankheit. Hochpräzise Trägheitssensoren werden hauptsächlich in Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt. Menschen können es in intelligenter Munition, Kollisionserkennung und Flugzeug-/Raketenflugsteuerung verwenden.

Verwandte Lektüre: Die Verwendung von Trägheitssensorsystemen zur Analyse menschlicher Bewegungen

Zukünftige Trends bei Trägheitssensoren

Die Genauigkeit von Trägheitssensoren hat sich im Laufe der Zeit erheblich verbessert. Es hat die Anforderungen an Größe, Kosten und Genauigkeit von Navigations- und Führungsanwendungen in hohem Maße erfüllt. In den letzten Jahren hat es sich von einer rein mechanischen zu einer Möglichkeit entwickelt, eine Vielzahl von Technologien zu integrieren. Diese Technologien umfassen Kernspinresonanztechnologie und Kaltatomtechnologie. Es kann auch viele physikalische Phänomene verwenden, um die auf das Objekt ausgeübte Leistung genau zu berechnen. Die Fehlernatur von Trägheitssensoren ist jedoch immer noch eine Herausforderung, die untersucht werden muss. Ich glaube, dass die Menschen diese Herausforderung bald meistern werden.

Beschleunigungssensoren und Winkelgeschwindigkeitssensoren sind wichtige Komponenten von Inertialsensoren. Die Inertialsensorik deckt jedoch verschiedene Anwendungen in verschiedenen Branchen ab. Je nach Art des Produkts kann die Wahl der zu bildenden Trägheitssensorkomponenten jedoch variieren. Nicht jeder Inertialsensor ist gleich.

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Über häufig gestellte Fragen zu Trägheitssensoren

1. Was sind Inertialsensoren und wie funktionieren sie?

   Trägheitssensoren sind Geräte, die Bewegung und Orientierung messen, indem sie Änderungen in Beschleunigung und Drehung erkennen. Sie arbeiten mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), um Änderungen in der Bewegung einer kleinen Masse zu erkennen.

2. Welche Arten von Inertialsensoren gibt es und wie werden sie verwendet?

   Die zwei Haupttypen von Trägheitssensoren sind Beschleunigungsmesser, die Beschleunigungsänderungen messen, und Gyroskope, die Rotationsänderungen messen. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Navigation, Bewegungsverfolgung und Robotik.

3. Wie werden Inertialsensoren in Navigations- und Ortungssystemen eingesetzt?

   Trägheitssensoren können mit GPS und anderen Positionierungssystemen verwendet werden, um eine genauere und zuverlässigere Navigation bereitzustellen. Sie können auch in Indoor-Ortungssystemen verwendet werden, wo keine GPS-Signale verfügbar sind.

4. Wie verbessern Trägheitssensoren die Bewegungsverfolgung und -analyse in Sport- und Fitnessanwendungen?

   Trägheitssensoren können Sportlern und Fitnessbegeisterten Echtzeitdaten zu ihrer Bewegung und Leistung, wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Sprunghöhe, liefern. Diese Daten können verwendet werden, um das Training zu verbessern und Verletzungen vorzubeugen.

5. Wie werden Inertialsensoren in der Robotik und Automatisierung eingesetzt?

   Trägheitssensoren können in der Robotik und Automatisierung verwendet werden, um Rückmeldungen über die Bewegung und Ausrichtung von Robotern und anderen Maschinen zu geben. Dies kann die Präzision und Genauigkeit in der Fertigung und anderen Branchen verbessern.

6. Was sind die potenziellen Anwendungen von Trägheitssensoren im Gesundheitswesen und in medizinischen Geräten?

   Trägheitssensoren können im Gesundheitswesen und in medizinischen Geräten verwendet werden, um die Bewegung und Aktivität von Patienten zu überwachen und zu verfolgen, beispielsweise in der Rehabilitation oder Physiotherapie. Sie können auch verwendet werden, um Stürze bei älteren Menschen zu erkennen und zu verhindern.

7. Wie können Trägheitssensoren Stürze bei älteren Menschen erkennen und verhindern?

   Trägheitssensoren können in tragbaren Geräten verwendet werden, um Änderungen der Beschleunigung und Ausrichtung zu erkennen, die auf einen Sturz hindeuten können. Diese Informationen können Pflegekräfte oder Rettungsdienste alarmieren und helfen, Verletzungen zu vermeiden.

8. Welche ethischen Implikationen hat die Verwendung von Trägheitssensoren in Überwachungs- und Sicherheitssystemen?

   Die Verwendung von Trägheitssensoren in Überwachungs- und Sicherheitssystemen wirft ethische Bedenken in Bezug auf Datenschutz, Datensicherheit und möglichen Missbrauch auf. Es ist wichtig, die Vorteile einer verbesserten Sicherheit mit den potenziellen Risiken für die Rechte und Freiheiten des Einzelnen abzuwägen.