Beschleunigungssensoren erklärt: Kompletter Leitfaden zur Sensortechnologie

Beschleunigungssensoren erkennen Stöße und Vibrationen von Geräten und messen Betrag und Richtung der Eigenbeschleunigung. Sie finden sich in zahlreichen Elektronikgeräten, Flugzeugen und anderen Branchen. Dieser Artikel beleuchtet die Details von Beschleunigungssensoren und ihre Anwendung im Alltag. Richtig für Elektronik-Enthusiasten, die mehr über Beschleunigungssensoren lernen möchten. WELLPCB widmet sich dynamischen Inhalten zu elektronischen Bauteilen.

Was ist ein Beschleunigungssensor?

Ein Beschleunigungssensor ist ein Gerät, das die Beschleunigung eines Körpers in dessen momentanem Ruhezustand identifiziert und quantifiziert.

Was ist Beschleunigung?

Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit eines Objekts (Verschiebung / Zeitänderung). Statische und dynamische Kräfte sind die zwei Beschleunigungsarten. Statische Kräfte (Reibung, Schwerkraft) wirken konstant. Beispiel: Ein ruhender Beschleunigungssensor am Boden zeigt Erdbeschleunigung durch Schwerkraft. Dynamische Kräfte wirken aktiv zu verschiedenen Zeitpunkten.

Beschleunigungssensor-Konfiguration

Ein Beschleunigungssensor ist ein dynamischer Sensor, der Beschleunigung in einer, zwei oder drei orthogonalen Achsen misst. Er arbeitet in drei Modi:

• Geschwindigkeits- und Positionsmessung
• Neigungs-, Kipp- oder Orientierungserfassung in 2D/3D
• Vibrations- oder Stoßerkennung

(3D-Würfel als Darstellung eines 3-Achsen-Beschleunigungssensors)

Beschleunigungssensoren in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

Erkennen Geräterotation – „Flippen“ des Bildschirms auf gewünschten Winkel. Die meisten Beschleunigungssensoren in Geräten nutzen MEMS – winzige mechanische und elektromechanische Elemente. Durch geringe Größe in Handheld- und Wearables (Smartphones) verbaut.

Neue 3-Achsen-MEMS- und Gyroskop-Chip-Generationen ermöglichen Smartwatches, verschiedene Sturzpositionen zu erkennen. Tödliche Stürze können erkannt und Notfallkontakte informiert werden.

(Mikrofon-Breakout)

Wie funktioniert der Beschleunigungssensor?

Zwei Funktionsweisen: Piezoelektrischer Effekt und Kapazitätsänderung.

Piezoelektrischer Effekt

Ein piezoelektrischer Sensor hat mikroskopische Kristallstruktur, die bei Beschleunigungsspannung Spannung erzeugt. Beispiel: Vibrationen → proportionaler Spannungsausgang.

Anwendung als Neigungs- oder Drucksensoren in Consumer Electronics (Handys, Touchpads).

(Schematisches Bild des piezoelektrischen Sensorelektrischen Modells)

Kapazitätsänderung

Kapazitives Messverfahren nutzt Kraft = Masse × Beschleunigung. Also: Vorhandene Kraft / Masse des Objekts. Kapazitiv in MEMS:

1. Zwei kapazitive Platten
2. Objektmasse ruht auf einer Platte → Kapazitätsänderung → Kraftmessung
3. Beschleunigung aus Kraft und Masse

3. Hauptanwendungen von Beschleunigungssensoren

Weltweit in Wissenschaft und Industrie eingesetzt – Engineering, Biologie, Medizin, Navigation, Transport.

• Automobilsicherheit: In Kollisionssicherheitssystemen. Bei starker dynamischer Kraft sendet eingebetteter Computer elektronisches Signal → Airbag-Auslösung.

(Ausgelöste Airbags im Auto. Fahrzeugsicherheit.)

• Spielsteuerung: Handheld-Controller erkennt Neigung → einfache Objektsteuerung im Spiel.
• Maschinenzustand: Vibrationssensoren in Maschinenüberwachung. Mechanische Beschleunigungssensoren melden Vibrationen/Änderungen an rotierenden Geräten (Turbinen, Pumpen, Lüfter, Walzen). Sofortige Anpassungen möglich.

4. Auswahl des passenden Beschleunigungssensors

Für präzise Beschleunigungsmessung beachten Sie:

1. Frequenzgang: Elektrischer Output vs. mechanische Erregung über Frequenzbereich. Gut: ±5% (typ. 100 Hz).
2. Anzahl Achsen: Drei Sensoren auf 3-Achsen-Montageblock für drei orthogonale Achsen.

(Smartphone-Gyroskop-Icon, flacher Vektor. Handy-Beschleunigungssensor)

Fazit

Beschleunigungssensoren finden breite Anwendung ohne Fokus auf Sensorplatzierung. Smartphone-Verbreitung ermöglicht einfache Aufgaben: Schüttelbewegung, Bildschirmorientierung. MEMS-Sensoren für komplexere Aufgaben.

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