Überblick über den Beschleunigungssensor

Beschleunigungssensor

 

Überblick über den Beschleunigungssensor

 

Beschleunigungssensoren messen statische und dynamische Beschleunigungskräfte. Beispielhaft für eine statische Kraft ist die Erdanziehung, die ständig Kraft auf Objekte ausübt, während dynamische Kräfte ins Spiel kommen, wenn der Beschleunigungssensor bewegt wird, beispielsweise geschüttelt oder gedreht.

 

Einige dieser Sensoren funktionieren mittels winziger Kristalle, die elektrische Spannung erzeugen, sobald sie Beschleunigungsbewegungen ausgesetzt werden (der piezoelektrische Effekt). Andere nutzen die Änderungen der elektrischen Kapazität zwischen zwei Mikrostrukturen – verändern diese Strukturen durch die Beschleunigungsbewegung ihre Position relativ zueinander, verursacht dies eine entsprechende Änderung der Kapazität. Diese elektrische Änderung der Kapazität wird durch einige zusätzliche elektrische Schaltkreise in Spannung umgewandelt.

 

Andere Beschleunigungssensoren verwenden piezoresistive Technologien, Licht, oder sogar erhitzte Luftblasen.

 

Beschleunigungssensoren können Veränderungen der statischen Beschleunigung erfassen, beispielsweise wenn der Bildschirm eines Smartphones sich automatisch in die richtige Richtung dreht, wenn die Position des Telefons verändert wird. Tatsächlich erfasst der Sensor Änderungen des Winkels des Geräts in Relation zur Erde.

 

IBM und Apple setzen die Funktion von Beschleunigungssensoren zur Erfassung der dynamischen Beschleunigung neuerdings zum Schutz mobiler Computer, wie beispielsweise Laptops, vor Schäden durch mechanische Einwirkungen ein: im dynamischen Modus erfasst der Sensor, wie sich ein Objekt bewegt. Wird ein Laptop beispielsweise versehentlich fallen gelassen, erfasst der Sensor eine plötzliche dynamische Beschleunigung und löst einen Schalter aus, der sofort die Festplatte ausschaltet, um sie vor dem Schaden zu schützen, der auftritt, wenn die sich normalerweise bewegenden Köpfe durch einen Aufprall gegen die Platte geschlagen werden. Dies ähnelt der Funktionsweise von Beschleunigungssensoren in Fahrzeugen, die Airbags im Falle einer Kollision oder einer Notbremsung im exakt richtigen Moment auslösen.

 

Geschichte

 

Beschleunigungssensoren gab es schon 250 Jahre bevor sie im 21. Jahrhundert in so vielfältiger Weise eingesetzt wurden: der erste wurde im Jahr 1783 von Newtons Physikerkollegen, dem Engländer George Atwood, entwickelt, um die theoretischen Konstrukte der Newtonschen Physik zu belegen. Atwoods geniale Erfindung blieb bis zum Aufstieg der Automobilindustrie praktisch ungenutzt: Als mehr und mehr Menschen Autos nutzten, beschäftigten die Hersteller sich mehr mit der Sicherheit. Autohersteller setzten Beschleunigungssensoren an verschiedenen Stellen in Testfahrzeugen ein, um die Verteilung der Motorkraft zu ermitteln. Das Interesse an der Dynamik von Kollisionen - Front, Seite und Heck - entwickelte sich zusammen mit den Messungen zur Minimierung ihrer zerstörerischen Auswirkungen. Heute werden Crashtest-Dummys mit mehreren Beschleunigungssensoren versehen; werden diese dann in einem bewegten Fahrzeug platziert, können Forscher feststellen, welchen Kräften der menschliche Körper während der normalen Fortbewegung und in Notfall-/Unfallsituationen, wie beispielsweise Kollisionen und Schleudern, ausgesetzt ist.

 

Technische Aspekte

 

Der Großteil der heute verwendeten Beschleunigungssensoren wird als „MEMS“ (Mikro-Elektromechanische Systeme) klassifiziert und verwendet die Verlagerung einer Masse an einem Ausleger (bezeichnet als seismische oder Prüfmasse) als Reaktion auf Bewegung. Wann immer eine externe Kraft auf die Prüfmasse einwirkt, wie beispielsweise bei der Beschleunigung, bewegt sie sich von einer neutralen in eine aktive Position, wobei der Grad der Verlagerung digital oder analog ausgegeben wird.

 

Einzelne derartige Federmechanismen können ungenau sein, hauptsächlich weil der Mechanismus sich durch wiederholten Gebrauch im Laufe der Zeit verformen kann, weshalb hochwertigere MEMS eine Reihe von Federn verwenden und Piezoresistoren einbauen, um das Ausmaß der Verformung exakt zu messen.

 

Die überwiegende Mehrheit der MEMS-Geräte misst die Abweichung entlang einer einzelnen Achse, es werden aber auch Zwei- und Drei-Achsen-Alternativen angeboten (zu einem höheren Preis), die Beschleunigungsbewegungen wesentlich genauer messen.

 

Wo Beschleunigungssensoren in der Fertigung eingesetzt werden

 

In industriellen Umgebungen können Beschleunigungssensoren den Zustand schwerer rotierender Maschinen wie Industrieventilatoren, Pumpen, Kühltürmen und Turbinen überwachen, indem sie Veränderungen im Ausmaß der Vibration ihrer Achsen im Laufe der Zeit erfassen. Sie befinden sich üblicherweise in den Kugellagern, die die Rotation oder Bewegung ermöglichen. Die Vorteile dieser Programme zur Vibrationsüberwachung sind vielfältig; sie können Mitarbeiter auf das Risiko eines drohenden Maschinenausfalls hinweisen, den Arbeitsbereich in der Nähe potenziell gefährlicher, sich bewegender Maschinen wesentlich sicherer machen, Ausfallzeiten minimieren und Kosten senken. So können gravierende Probleme identifiziert werden, bevor sie kritisch werden, wie beispielsweise die beginnende Abnutzung von Kugellagern, erste Anzeichen der falschen Stellung einer Achse, ausfallende Zahnräder und Schieflagen in den Rotoren: Eine frühzeitige Behebung dieser unausweichlichen Probleme ist wesentlich weniger kostenintensiv als die Reparatur einer komplett ausgefallenen Maschine.

 

Programme zur Vibrationsüberwachung werden in der Herstellung von Kraftfahrzeugen, der Stahlherstellung, der Herstellung von Papier und Zellstoff und bei der Produktion zahlreicher Produkte, von Lebensmitteln und Getränken bis hin zu Pharmazeutika, eingesetzt. Man findet sie auch in den verschiedensten Fabriken, z.B.in Zuckerfabriken und bei Stromerzeugern, und sie werden häufig in Maschinen der Petrochemie- und Wasserkraftbranche eingebaut.

 

Wo der Beschleunigungssensor eingesetzt wird

 

Beschleunigungssensoren finden nicht nur in Geräten von Militär und Luftfahrt häufig Verwendung (außergewöhnlich empfindliche Sensoren sind wesentliche Komponenten der Navigationssysteme von Raketen und Flugzeugen), sie werden auch regelmäßig in wesentlich weniger martialischen Umgebungen eingesetzt. Digitalkameras, Tablets und Smartphones nutzen Beschleunigungssensoren für ihre Autorotations-Funktionen, die sicherstellt, dass das Bild auf dem Bildschirm immer richtig herum angezeigt wird, unabhängig davon, ob das Gerät horizontal, vertikal oder kopfüber gehalten wird.

 

In der Medizin wurden Beschleunigungssensoren entwickelt, um zu messen, wie tief die Brust während der Herz-Lungen-Animation eingedrückt wird, und mehrere große Hersteller im Gesundheitssektor haben Sensoren in Armbanduhren entwickelt, die es Sportlern ermöglichen, ihre Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke zu überwachen.

 

Wie sich Beschleunigungssensoren von anderen Sensoren unterscheiden

 

Wie alle Sensoren erfassen Beschleunigungssensoren Veränderungen einer physikalischen Komponente als Reaktion auf einen äußeren Einfluss und konvertieren diese in eine lesbare Messung. Einzigartig an ihnen ist jedoch, dass der von ihnen gemessene äußere Einfluss die Beschleunigung ist (im Gegensatz zu beispielsweise Wärme, Licht oder chemischer Giftigkeit) und sich damit in der modernen Welt ein gewaltiges Spektrum an Einsatzmöglichkeiten bietet.