Grundlagen zu Beschleunigungsmessern: Die Grundlagen der Bewegungserkennung verstehen

Globaler Lieferant elektronischer Komponenten AMPHEO PTY LTD: Umfangreiches Inventar für One-Stop-Shopping. Einfache Anfragen, schnelle, individuelle Lösungen und Angebote.

Was ist ein Beschleunigungsmesser?

Grundlagen zu Beschleunigungsmessern: Die Grundlagen der Bewegungserkennung verstehen - Blog - Ampheo

Ein Beschleunigungsmesser ist ein Sensor, der die Eigenbeschleunigung misst, also die Beschleunigung im Verhältnis zum freien Fall. Er liefert nützliche Informationen über die Position und Bewegung von Objekten im dreidimensionalen Raum, indem er Änderungen in Ausrichtung und Geschwindigkeit erkennt. Beschleunigungsmesser finden Anwendung in einer Vielzahl von Systemen und Geräten, von tragbaren Geräten und Smartphones bis hin zu Industrie- und Luftfahrtgeräten.

Arten von Beschleunigungsmessern

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser: Wenn ein Objekt beschleunigt, erzeugen diese Geräte mithilfe piezoelektrischer Materialien eine elektrische Ladung.
Kapazitive Beschleunigungsmesser: Sie nutzen bewegungsbedingte Kapazitätsänderungen, um die Beschleunigung zu erfassen.
Piezoresistive Beschleunigungsmesser: Diese messen durch Beschleunigung hervorgerufene Widerstandsschwankungen mithilfe piezoresistiver Materialien.
MEMS-Beschleunigungsmesser: MEMS-Beschleunigungsmesser sind kleine mechanische Strukturen, die von Beschleunigungsmessern für mikroelektromechanische Systeme zum Erfassen der Beschleunigung verwendet werden.
Beschleunigungsmesser mit Dehnungsmessstreifen: Beschleunigungsmesser mit Dehnungsmessstreifen erkennen durch Beschleunigung hervorgerufene Änderungen des elektrischen Widerstands und berechnen daraus die Beschleunigung.

Wann wurden Beschleunigungsmesser erfunden?

Die Technologie der Beschleunigungsmesser reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, wobei in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts bemerkenswerte Entwicklungen stattfanden. In den 1980er Jahren wurde die Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) entwickelt, die die Massenproduktion und Verkleinerung von Beschleunigungsmessern revolutionierte. Daher werden Beschleunigungsmesser heute häufig in Industrieanlagen, Autosicherheitssystemen und Unterhaltungselektronik eingesetzt.

Video zum Beschleunigungsmesser

Wie funktioniert ein Beschleunigungsmesser?

Das Kernkonzept:

Stellen Sie sich ein kleines Gewicht vor, das in einer Box von winzigen Federn in der Luft gehalten wird. Die Trägheit des Gewichts versucht, die Kiste beim Beschleunigen daran zu hindern, sich schneller als mit ihrer Anfangsgeschwindigkeit zu bewegen, aber die Kiste selbst bewegt sich schneller. Dadurch erfahren die Federn eine Auslenkung, die proportional zur auf sie ausgeübten Kraft ist.

Erfassen der Auslenkung:

Verschiedene Arten von Beschleunigungsmessern verwenden unterschiedliche Methoden, um diese Federauslenkung zu erfassen:

Piezoelektrisch: Diese Sensoren arbeiten mit einer Substanz, die unter Spannung eine Spannung erzeugt. Wird das Material durch die Federauslenkung zusammengedrückt, entsteht eine der Beschleunigung entsprechende Spannung.
Kapazitiv: Die Kapazität der winzigen Platten im Sensor variiert je nach ihrer Nähe zueinander. Die Kapazität wird durch die durch die Federauslenkung verursachte Änderung des Plattenabstands beeinflusst und eine Beschleunigungsmessung ermöglicht.
Piezoresisitiv: Diese Sensoren verwenden Materialien, die ihren elektrischen Widerstand verändern, wenn sie Druck ausgesetzt werden. Das Material wird durch die Federauslenkung zusammengedrückt, wodurch sich sein Widerstand ändert und das Beschleunigungsniveau angezeigt wird.

Umwandeln des Signals:

Die Ausgabe des Sensors – sei es eine Änderung des Widerstands, der Kapazität oder der Spannung – wird dann in ein digitales Signal umgewandelt, sodass es von einem Computer oder einem anderen Gerät verarbeitet werden kann. Dieses digitale Signal, das normalerweise in g-Einheiten ausgedrückt wird (wobei 1 g die durch die Erdanziehung verursachte Beschleunigung ist), stellt die gemessene Beschleunigung dar.

Mehrere Achsen und Anwendungen:

Die meisten Beschleunigungsmesser können Bewegungen in alle Richtungen erkennen, da sie die Beschleunigung in drei Achsen (X, Y und Z) aufzeichnen.

Was macht ein Beschleunigungsmesser?

Beschleunigungsmesser haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter:

Bewegungsverfolgung: Beschleunigungsmesser werden von Virtual-Reality-Headsets, Smartphones und Fitness-Trackern verwendet, um Beschleunigungskräfte zu messen, Bewegungen zu verfolgen und Schritte zu zählen.
Navigation: In Situationen, in denen Satellitensignale schwach sind, helfen Beschleunigungsmesser dem GPS, Richtung und Ausrichtung zu bestimmen.
Fahrzeugstabilitätskontrolle: Autos ändern autonom Bremsen und Lenkung, um die Kontrolle zu behalten, und nutzen Beschleunigungsmesser, um Schleudern und Überschläge zu erkennen.
Industrielle Automatisierung: Beschleunigungsmesser sind für das Gleichgewicht, die Navigation und die Kollisionsvermeidung bei Robotern und Drohnen erforderlich.
Medizinische Anwendungen: Beschleunigungsmesser können Schlafmuster verfolgen, Stürze bei älteren Menschen erkennen und Zittern bei Parkinson-Patienten überwachen.

IMU vs. Beschleunigungsmesser

Eine Inertial Measurement Unit (IMU) besteht normalerweise aus mehreren Sensoren, darunter Beschleunigungsmesser, Gyroskope und manchmal Magnetometer, die in einem einzigen Gerät integriert sind. Im Gegensatz zu einem Beschleunigungsmesser, der nur die lineare Beschleunigung misst, überwacht eine IMU sowohl die lineare als auch die Winkelbewegung genauer. Die Ausrichtung, Geschwindigkeit und Position eines Objekts in drei Dimensionen kann von einer IMU durch Zusammenführen von Daten mehrerer Sensoren präzise aufgezeichnet werden.

Können Beschleunigungsmesser Vibrationen messen?

Beschleunigungsmesser können neben ihrem Hauptzweck, die Beschleunigung genau zu messen, auch Vibrationen erkennen und messen. Beschleunigungsmesser können periodische Beschleunigungsschwankungen messen, die eine Komponente der als Vibration bezeichneten Schwingungsbewegung sind. Beschleunigungsmesser sind ein unschätzbares Instrument zur Überwachung des Zustands von Maschinen und der strukturellen Integrität, da sie Vibrationspegel messen können, indem sie die Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals untersuchen.

Sind Beschleunigungsmesser genau?

Beschleunigungsmesser können genaue Beschleunigungsmessungen liefern, wenn sie richtig kalibriert und innerhalb ihrer angegebenen Betriebsbedingungen verwendet werden. Die Messgenauigkeit von Beschleunigungsmessern wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Kalibrierungsstabilität, Rauschen und Sensorauflösung. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Beschleunigungsmessern in einer Vielzahl von Anwendungen wird durch ausgefeilte Kalibrierungsmethoden, Sensorfusionsalgorithmen und Qualitätskontrollverfahren verbessert.

Wo werden Beschleunigungsmesser verwendet?

Wie bereits erwähnt, werden Beschleunigungsmesser in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Hier sind nur einige Beispiele:

Unterhaltungselektronik: Zur Unterhaltungselektronik gehören Virtual-Reality-Headsets, Spielecontroller, Fitness-Tracker, Smartphones und Smartwatches.
Transport: Autos, Flugzeuge, Drohnen und Roboter.
Industrielle Automatisierungn: Fließbänder, Qualitätskontrolle und Fertigungsroboter.
Gesundheitswesen: Geräte zur Überwachung von Stürzen, Schlafmustern und Parkinson-Tremor.
Sport und Fitness: Überwachung der Leistung von Sportlern und Untersuchung von Gangmustern.
Weltraumforschung: Navigation und Stabilität von Raumfahrzeugen, Rovern, Satelliten und anderen Weltraumforschungsgeräten.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Beschleunigungsmesser entscheidende Teile der Bewegungssensortechnologie sind, die aufschlussreiche Informationen zu Vibration, Beschleunigung und Ausrichtung für eine breite Palette von Anwendungen liefern. Aufgrund ihrer Nützlichkeit, Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit sind sie wesentliche Bestandteile von Industriemaschinen, Unterhaltungselektronik, Fahrzeugsicherheitssystemen und Luft- und Raumfahrtgeräten. Um ihr Potenzial zur Förderung technologischer Innovationen und zur Erfüllung sich ändernder gesellschaftlicher Anforderungen voll auszuschöpfen, ist es wichtig, die Prinzipien und Anwendungen von Beschleunigungsmessern zu verstehen.