Alles über Accelerometer und Gyrometer

Wann immer von Beschleunigung, also die Rate der Geschwindigkeitsveränderung eines Körpers oder Rotation die Rede ist, bewegt man sich im Bereich der Inertialsensoren: Systeme, die Masseträgheit (Inertia) bezogene Kräfte messen, die einen Körper aus seinem natürlichen Zustand der Trägheit ziehen, drücken, stoßen oder schieben.

Typische Anwendungen sind:

• Stoß- und Fallerkennung: In Airbags, Festplatten und anderen empfindlichen Geräten überwachen die Sensoren ihre Beschleunigungsparameter, um im Fall des Falles entsprechende Schutzmechanismen zu aktivieren.
• Handysensoren: Auf dem iPhone eine E-Mail schnell auf „nicht gelesen“ zurücksetzen? Einfach das Gerät schütteln. Gesten und Dynamik erkennt das Handy ebenfalls mit Beschleunigungssensoren.
• Navigation: Um die Bewegungsrichtung und die Ausrichtung von elektronischen Navigationstools zu bestimmen, kommen neben dem Kompass auch Drehratensensoren zum Einsatz. Außerdem überbrücken sie Situationen, in denen das GPS-Satellitensignal gestört ist (Tunnel, Parkhäuser, Häuserschluchten), und ermöglichen so eine durchgehende Routenführung.
• Spiele- und Spielekonsolen: In den Controllern von modernen Spielekonsolen transformen Sensoren einen einfachen Armschwung im heimischen Wohnzimmer in Echtzeit zu einer eleganten Vorhand im Wimbledon-Finale.

In einem Accelerometer steckt für jede Achse, entlang derer die Beschleunigung gemessen werden soll, ein federgelagertes Gewicht. Dieses Gewicht drückt bei klassischen Beschleunigungsmessern auf ein piezoelektrisches Element. In den MEMS-Accelerometern werden diese durch eine kapazitativ messende Fläche ersetzt. In beiden Fällen verändert sich durch die Krafteinwirkung auf das Gewicht die Ausgangsspannung des Bauteils. An jedem Sensor liegt dabei eine Grundspannung an, die den unbelasteten Zustand charakterisiert. Durch die Differenz zwischen der aktuellen Spannung und der Basis kann dann die aktuell wirkende Beschleunigung bestimmt werden. Vorteile der miniaturisierten MEMS-Bauteile sind sehr hohe Messbereiche und schnelle Reaktion.

Die konstante Gravitation kann auch ohne Beschleunigung in eigenen Anwendungen genutzt werden. Als Beispiel dient hier die unten verlinkte Versuchsanordnung mithilfe der Entwicklungsplattform Digilent Digital Discovery. Sie ermöglicht einen Sensortest über eine Kombination aus Logikanalysator und Mustergenerator, damit kann man Sensoren auf ihre Funktionsfähigkeit testen. Ein dreiachsiger Sensor teilt dann mit, wie ein Gerät gerade ausgerichtet ist. Liegt es auf dem Kopf, steht es senkrecht?

Wie beantwortet ein Sensor diese Frage?

Die drei Achsen des Sensors teilen sich den Einfluss der Schwerkraft gleichmäßig auf. Die Grundlage ist also ein Koordinatensystem mit einer X-, Y- und Z-Achse. Richtet man nun eine Achse des Sensors genau auf eine Achse aus (also ideal in Richtung Erdmittelpunkt), dann würde dort ein Ausschlag von exakt 1g zu messen sein. Je nachdem, wie der Sensor also verbaut ist, kann man daraus ableiten, welche Seite des Geräts nach oben zeigt. Bereits in vollständiger Ruhe teilt der Beschleunigungssensor so relevante Informationen mit.

Hier geht es zum vollständigen Versuchsaufbau auf DesignSpark

Für den Aufbau zu Hause lassen sich vergleichbare Tests auch für die Arduino-Plattform durchführen. Mit Entwicklungskits, wie dem ADXL355, kann man auch dem eigenen System die Interpretation der Beschleunigung oder Orientierung beibringen. Dabei wird der Sensor mithilfe eines Erweiterungsboards mit der Platine verbunden – am besten montiert auf einen beweglichen Festkörper. Dessen Ausrichtung oder Beschleunigung kann man dann über die serielle Schnittstelle auslesen.

Bei der Auswahl des richtigen Sensors kommt es auf die Charakteristik der Daten an, die festgehalten werden sollen.

• Welcher Wertebereich soll erfasst werden?
• Welche Genauigkeit muss die Messung aufweisen?
• Unter welchen Bedingungen muss der Sensor arbeiten?

Alle Inertialsensoren unterscheiden sich in den Parametern Genauigkeit und Wertebereich. Dabei gilt die Regel: Je genauer ein Sensor auflöst und misst, desto eingeschränkter ist der Wertebereich. Als dritte Dimension bestimmt der Einsatzbereich, welche Materialien, Abmessungen und Gehäuse infrage kommen. Je höher die Anforderungen an Unempfindlichkeit gegenüber Temperatur, Medium (Luft/Wasser/toxische Umgebungen) und Lagerung sind, desto aufwendiger wird es, die entsprechende Sensorik darin genau messen zu lassen.

Der Wertebereich oder die Belastbarkeit wird in g, also in Vielfachen der Erdanziehungskraft angegeben und kann ein breites Spektrum von 10g bis 2000g umfassen. Die Genauigkeit wird durch die Empfindlichkeit der Ausgangs-Spannung (oder -Ladung) festgelegt und beschreibt die Präzision in Bezug auf die Werte. Ein besonders empfindlicher Sensor ist jedoch auch anfälliger gegenüber Störeinflüssen bzw. ist die Abschirmung aufwendiger. Die Schaltfrequenz (auch Samplerate) des Sensors gibt zuletzt die zeitliche Auflösung der erfassten Daten an, je höher sie ist, desto mehr Werte können pro Zeiteinheit erfasst werden. Am unteren Ende der Skala wird definiert, wie groß die minimale Impulslänge sein muss, um von dem Sensor erfasst zu werden.

Besonders für MEMS-Sensoren gilt, dass es eine Menge günstiger Produkte gibt, bei denen die Sensoren auf einer Erweiterungs- oder Mikrocontroller-Platine enthalten sind. Häufig werden sie auch kombiniert angeboten, sodass Gyroskop und Accelerometer in einem Kombiprodukt enthalten sind und so größtmögliche Flexibilität bei der Nutzung von Daten bieten.

Über die einzelnen Sensoren hinaus ist es auch möglich, sie als Erweiterungskits für populäre Entwicklungsplattformen wie Arduino und Raspberry Pi zu erwerben.

Je nach Anwendungszweck unterscheiden sich Verwendung und Interpretation der Daten. In Ruhe kann der Accelerometer durch die Wirkung der Erdanziehungskraft zur Bestimmung der Lage genutzt werden. In Bewegung dient er der Erkennung von Fall, Querbeschleunigung und Geschwindigkeit. Gyrometer können die Lage um eine Achse – ohne den Einfluss der Schwerkraft – messen und helfen so, die Lageveränderungen gegenüber dem Normalzustand zu verstehen. Bei komplexen Aufgaben ist es jedoch häufig notwendig, Werte aus verschiedenen Quellen gemeinsam zu betrachten.

Ein komplexes Beispiel ist die Verwendung von MEMS-Sensoren zur Stabilisierung von Modell-Hubschraubern. Das Fluggerät unterliegt neben seiner eigenen Dynamik vielfältigen Einflüssen aus Wind, anderen Luftströmungen und den Verwirbelungen durch die eigenen Rotoren. Um ein vollständiges Bild von der Fluglage zu haben, ist es daher notwendig die Daten von verschiedenen Sensoren miteinander zu kombinieren und dadurch das vollständige Bild über die Dynamik zu erhalten. Sowohl die Geschwindigkeit und die aktuelle Beschleunigung spielen dabei eine Rolle wie auch die Lage um die Längs-, Quer- und Raumachse, da ein Hubschrauber um jede Achse genau gesteuert werden kann. Die Sensoren erlauben es nun, Abweichungen schnell zu erkennen und automatisch eine stabile horizontale Ausrichtung umzusetzen.

Auch in modernen Flugzeugen finden diese sensorgestützten Korrekturen der Ruder in der sogenannten Fly-by-wire-Technologie statt. Die Befehle der Piloten werden dabei nicht mechanisch über Seilzüge oder Hydraulik direkt an die mechanischen Ruder weitergegeben, sondern von einem Computer mithilfe von Sensordaten ausgeglichen.