Beschleunigungssensoren (Accelerometer): Funktionsweise und Einsatzbereiche

Moderne Geräte verlassen sich auf Sensoren zur Überwachung und Steuerung physikalischer Größen. Unter diesen messen Beschleunigungssensoren die Beschleunigung und Geschwindigkeit eines Objekts und ermöglichen Funktionen von Smartphone-Orientierung bis zur Flugzeugnavigation.

Was ist ein Beschleunigungssensor?

Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit über die Zeit. In der Praxis gibt es zwei Konzepte: Eigenbeschleunigung (proper acceleration), die die physikalische Beschleunigung ist, die ein Objekt relativ zum Inertialraum spürt, und Koordinatenbeschleunigung (coordinate acceleration), die vom Bezugssystem des Beobachters abhängt. Ein Beschleunigungssensor ist ein elektromechanisches Instrument, das direkt die Eigenbeschleunigung misst.

Funktionsprinzip

Das Kernprinzip ist analog zu einer Masse an einer Feder. Wenn das Gerät beschleunigt, lenkt die Masse aus, bis die Rückstellkraft der Feder die Trägheitskraft ausgleicht. Die resultierende Auslenkung ist proportional zur erfassten Beschleunigung, und diese mechanische Bewegung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Beschleunigungssensoren gibt es in analogen und digitalen Formaten. Sie werden mit piezoelektrischer, piezowiderständiger oder kapazitiver Wandlung gefertigt. Jede Methode übersetzt die mechanische Bewegung in eine messbare elektrische Größe:

• Piezoelektrische Beschleunigungssensoren nutzen einkristallines piezoelektrisches Material, das unter Spannung Spannung erzeugt – ideal für Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen.
• Kapazitive Beschleunigungssensoren verwenden silizium-mikrobearbeitete Strukturen, bei denen Beschleunigung die Kapazität ändert, die dann in Spannung umgewandelt wird.
• MEMS-Beschleunigungssensoren verfügen über einen winzigen Kragbalken mit einer Prüfmasse, in zwei- oder dreidimensionalen Konfigurationen für Orientierungs- und Geschwindigkeitserfassung verfügbar.

Anwendungen

Beschleunigungssensoren bilden die Basis vieler Technologien branchenübergreifend:

• Trägheitsnavigationssysteme für Flugzeuge, Schiffe und autonome Fahrzeuge.
• Schwingungsüberwachung an rotierenden Maschinen zur Ausfallverhütung.
• Bildschirmorientierung und Bildstabilisierung in Smartphones und Digitalkameras.
• Flugstabilisierung und Motorsteuerung in Drohnen.
• Geräteorientierung, Stoßdetektion und Motion Tracking in Laptops und Mobiltelefonen.
• Biologische Forschung für Hochfrequenz-Bewegungsanalyse von Tieren.
• Gesundheitsmonitoring industrieller Anlagen und Fehlerdetektion an Rotoren.
• Strukturüberwachung von Gebäuden und Brücken unter dynamischen Lasten.
• Messung der Herzdruckmassage-Tiefe in medizinischen Geräten.
• Navigation und Richtungsmessung für GPS-unterstützte Systeme.
• Fernerkundung seismischer Aktivität in Vulkanüberwachungsnetzen.

Reale Beispiele

Beschleunigungssensoren sind integraler Bestandteil von Flugzeugen, Raketen, Erdbebenüberwachungssystemen, Pumpen, Lüftern, Kompressoren, medizinischen AEDs, Fußpods, intelligenten Verdichtungswalzen, Airbag-Auslösung, elektronischer Stabilitätskontrolle in Autos, Neigetechnikzügen, Gravimetern, Camcordern, G-Logger-Geräten, Mobiltelefonen und mehr.

Jedes Smartphone enthält einen Beschleunigungssensor, der zusammen mit einem Gyroskop die Bildschirmorientierung bestimmt und bewegungsbasierte Apps unterstützt. Denken Sie an das letzte Mal, als Ihr Bildschirm automatisch rotierte – das war ein Beschleunigungssensor am Werk.