{"id":1861,"date":"2022-10-25T09:58:32","date_gmt":"2022-10-25T09:58:32","guid":{"rendered":"https:\/\/rfidunion.com\/?p=1861"},"modified":"2023-04-17T08:41:39","modified_gmt":"2023-04-17T08:41:39","slug":"inertial-sensors-and-their-applications","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/rfidunion.com\/de\/technology\/inertial-sensors-and-their-applications.html","title":{"rendered":"Was sind Tr\u00e4gheitssensoren und Anwendungen?"},"content":{"rendered":"

Inertialsensoren sind wesentliche Bestandteile vieler moderner Ger\u00e4te. Sie werden verwendet, um Beschleunigung, Orientierung und Winkelgeschwindigkeit zu messen. Diese Sensoren<\/a> sind besonders n\u00fctzlich in Anwendungen, die eine pr\u00e4zise Positionierung oder Bewegungsverfolgung erfordern, wie Luft- und Raumfahrt, Robotik und autonome Fahrzeuge. Mit dem technologischen Fortschritt sind Tr\u00e4gheitssensoren kleiner, genauer und erschwinglicher geworden. Dieser Blogbeitrag gibt einen \u00dcberblick \u00fcber Tr\u00e4gheitssensoren, ihre Montage, Anwendungen und zuk\u00fcnftige Trends.<\/p>\n\n\n\n

Was sind Inertialsensoren?<\/h2>\n\n\n\n

Ein Inertialsensor erkennt und misst die Beschleunigung, Neigung und Vibration eines Objekts. <\/strong>Es wandelt Tr\u00e4gheitskr\u00e4fte in messbare elektrische Signale um. Es ist eine interessante und n\u00fctzliche F\u00e4higkeit. Es ist wichtig, um die Navigation, Orientierung und Bewegungstr\u00e4gersteuerung zu l\u00f6sen. Tr\u00e4gheitssensorkomponenten umfassen typischerweise Beschleunigungsmesser und Winkelgeschwindigkeitssensoren (Kreisel). Ihre ein-, zwei- und dreiachsigen Kombinationen IMU und AHRS spielen eine wichtige Rolle.<\/p>\n\n\n\n

Die Mikrofabrikationstechnologie zur Herstellung von MEMS-Tr\u00e4gheitssensoren wird m\u00f6glich. Diese Technologie wird zur Herstellung von Sensorelementen aus einkristallinem Silizium verwendet. Diese im Mikrometerbereich hergestellten Sensoren k\u00f6nnen fast alle wichtigen Anforderungen an das Systemdesign erf\u00fcllen. MEMS-Tr\u00e4gheitssensoren haben die gleichen Prinzipien wie makroskopische Tr\u00e4gheitssensoren. Sie k\u00f6nnen mit Hilfe kleiner Sensorzellen die kleinsten Ver\u00e4nderungen an einem mehrere Meter langen Objekt erkennen. Zu diesen kleinsten Ver\u00e4nderungen geh\u00f6ren die Position, die Ausrichtung und die Beschleunigung des Objekts.<\/p>\n\n\n\n

Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Tr\u00e4gheitssensoren. 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<\/a> alle scheinen von Menschen f\u00fcr bestimmte Anwendungen gemacht zu sein. Dies liegt daran, dass diese Tr\u00e4gheitssensoren die Anforderungen vieler verschiedener Anwendungen erf\u00fcllen. <\/p>\n\n\n\n

Die Bandbreite, die Aufl\u00f6sung und der Dynamikbereich dieser Sensoren variieren je nach Produkt. Ein Airbag-Ausl\u00f6sesystem f\u00fcr Automobile zum Beispiel stellt sehr hohe Anforderungen an den Tr\u00e4gheitssensor. Er muss eine Bandbreite von bis zu 0,5KHz und eine Aufl\u00f6sung von \u00fcber 500mG haben. Sein Dynamikbereich muss ungef\u00e4hr innerhalb von +\/-100G liegen. Andere Arten von Ger\u00e4ten haben andere Anforderungen an diese Bereiche. Instrumente zur Messung der Mikrogravitation in der Luft ben\u00f6tigen einen Tr\u00e4gheitssensor mit einer Bandbreite von 0-10Hz. Seine Aufl\u00f6sung muss jedoch auf <1\u00b5G genau sein und der dynamische Bereich muss weniger als +\/-1G betragen.<\/p>\n\n\n\n

Hier ist ein PDF zur Tr\u00e4gheitssensorik f\u00fcr Navigationsanwendungen<\/a>.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Tr\u00e4gheitssensoren nehmen in jeder Anwendung oder Ausr\u00fcstung eine \u00e4u\u00dferst wichtige Position ein.<\/strong> Sie ist Teil des gr\u00f6\u00dferen Steuerungssystems des Ger\u00e4ts oder der Anwendung. Wenn Sie nur die Beschleunigung oder Winkelbewegung eines Objekts kennen, sind diese Informationen nicht sehr n\u00fctzlich. Denn die von diesem Sensor gesammelten Informationen werden in der Regel dazu verwendet, die Bewegung des Ger\u00e4ts zu steuern. Nat\u00fcrlich kann er auch einen Aktor aktivieren, z.B. einen Airbag in einem Auto \u00f6ffnen.<\/p>\n\n\n\n

Tr\u00e4gheitssensorbaugruppe<\/h2>\n\n\n\n

Beschleunigungssensoren<\/a><\/h3>\n\n\n
\n
\"Schematische
Schematische Struktur des Beschleunigungssensors<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Der Beschleunigungssensor ist ein wichtiger Bestandteil eines Tr\u00e4gheitssensors, auch Beschleunigungssensor genannt.<\/strong> Der Sensor unterst\u00fctzt die Beschleunigungsmessung in einer oder mehreren Achsen. Der Beschleunigungssensor besteht aus einem mechanischen Sensorelement (Standard-Masseblock) und einer Detektionsschaltung. Andererseits besteht das Sensorelement haupts\u00e4chlich aus einem Masseblock, der durch ein mechanisches Aufh\u00e4ngungssystem 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.<\/p>\n\n\n\n

Der Sensor ist durch die Beschleunigung Tr\u00e4gheitskr\u00e4ften ausgesetzt. Nun weicht die Erfassungsmasse von ihrer stabilen Position ab. Das zweite Newtonsche Bewegungsgesetz erkl\u00e4rt dies gut. Die Laplace-Gleichung kann die Auslenkung eines Massenblocks gegen Beschleunigung ausdr\u00fccken.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

X \/ a = 1 \/ (s 2 + b \/ m + s \u00d7 k \/ m)<\/code><\/pre>\n\n\n\n
In dieser Gleichung stehen verschiedene Buchstaben f\u00fcr verschiedene Dinge. x steht f\u00fcr die Auslenkung des Masseblocks und a f\u00fcr die Beschleunigung. s bezeichnet den Laplace-Operator und b ist der D\u00e4mpfungsfaktor. m bedeutet die Masse des Masseblocks. k ist die mechanische Federkonstante des Aufh\u00e4ngungssystems.<\/p>\n\n\n\n
Die Resonanzfrequenz des Sensors kann ausgedr\u00fcckt werden als:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
fn = \u221a\uffe3(k \/ m)<\/code><\/pre>\n\n\n\n
Die Qualit\u00e4tsfaktorgleichung wird ausgedr\u00fcckt als:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
Q = \u221a\uffe3 (m \u00d7 k) \/ b<\/code><\/pre>\n\n\n\n
Die Empfindlichkeit des Sensors (im offenen Regelkreis) wird ausgedr\u00fcckt als:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
S = m \/ k<\/code><\/pre>\n\n\n\n
Aus dem obigen Algorithmus ist es offensichtlich, dass eine Regel gesehen werden kann. Durch Erh\u00f6hen oder Verringern der Empfindlichkeit \u00e4ndert sich die Resonanzfrequenz des Gegenstands. <\/strong>Mit einem Closed-Loop-System k\u00f6nnen Menschen diesen Kompromiss frei anpassen. Der D\u00e4mpfungsfaktor bestimmt die gr\u00f6\u00dfte Bandbreite des Beschleunigungssensors. Der D\u00e4mpfungsfaktor ist in MEMS-Beschleunigungsmessern typischerweise variabel. Dieser Koeffizient steigt mit der Verschiebung der detektierten Masse.<\/p>\n\n\n\n
Die Auslenkung des Masseblocks ist in allen mikromechanischen Beschleunigungsmessern messbar. Menschen k\u00f6nnen diesen Verschiebungsabstand durch eine Positionsmessschnittstelle messen. Das Messverfahren ist das gleiche wie bei der Kapazit\u00e4tsmessung. 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.<\/p>\n\n\n\n
Beschleunigungssensoren unterst\u00fctzen Systeme mit offenem oder geschlossenem Regelkreis. Der Beschleunigungssensor mit offenem Regelkreis verwendet ein elektrisches Signal von der Schnittstelle zur Positionsmessung. Anschlie\u00dfend wandelt der Beschleunigungsmesser das elektrische Signal in ein Ausgangssignal um. Da Beschleunigungssensoren mit offenem Regelkreis einfach zu bauen sind, entscheiden sich die meisten Menschen f\u00fcr sie. Open-Loop-Beschleunigungsmesser haben aber auch einen Nachteil: Sie m\u00fcssen mit hohen Toleranzen arbeiten. Der D\u00e4mpfungsfaktor ist darauf zur\u00fcckzuf\u00fchren, dass der Beschleunigungsmesser eine variable Federkonstante hat. Die Massenverschiebung eines Open-Loop-Beschleunigungsmessers erfordert au\u00dferdem eine \u00dcberpr\u00fcfung der Nichtlinearit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n
Ein Beschleunigungsmesser mit geschlossener Schleife erm\u00f6glicht es der detektierten Masse, in ihre Ruheposition zur\u00fcckzukehren. Es setzt auf ein R\u00fcckkopplungssystem, das die von der Masse ausge\u00fcbte R\u00fcckkopplungskraft verfolgen will. Diese R\u00fcckkopplungskraft ist proportional zur Beschleunigung des Beschleunigungsmessers im geschlossenen Regelkreis. Die R\u00fcckkopplungskraft hebt sich mit den Nichtlinearit\u00e4ten auf, und die Empfindlichkeit h\u00e4ngt von der R\u00fcckkopplungssteuerung ab. Das R\u00fcckkopplungssignal kann auch verwendet werden, um die Dynamik des Sensors unter Verwendung einer elektrischen Signalsteuerung zu steuern. Es kann durch elektrostatische, thermische oder magnetische Kr\u00e4fte angetrieben werden, um die Testmasse in ihre Ruheposition zur\u00fcckzubringen. Menschen k\u00f6nnen das R\u00fcckkopplungssignal oft in analoger oder digitaler Form darstellen. Alle diese Konstruktionen tragen zur Komplexit\u00e4t des Sensors bei.<\/p>\n\n\n\n
Es gibt viele Arten von Beschleunigungsmessern, und im Folgenden sind einige g\u00e4ngige Methoden zur Beschleunigungsmessung aufgef\u00fchrt:<\/p>\n\n\n\n