Gyroskope und Beschleunigungssensoren: Was sie tun und wie sie auszuwählen sind

Falls Sie ein Smartphone, ein tragbares Gaming-Tool oder ein elektronisches Fitnessarmband verwenden, nutzen Sie mit höchster Wahrscheinlichkeit auch einen oder mehrere Beschleunigungssensoren, Gyroskope oder eine intertiale Messeinheit (IMU, Inertial Measurement Unit), die all diese Komponenten vereint und in manchen Fällen auch weitere elektronische Komponenten beinhaltet, wie zum Beispiel Signalprozessoren. Mit dem Fortschreiten der IoT-Revolution und angesichts der stets wachsenden Anzahl an mit dem Internet verknüpften Geräten nimmt auch die Anzahl an Geräten mit integrierten Gyroskopen, Beschleunigungssensoren und weiteren Komponenten zu. Ziel dieser Geräte ist es, physikalische Größen zu registrieren und zu messen, und uns dann darüber zu informieren, was in der Welt um uns herum geschieht.

Gyroskope wurden bereits vor Tausenden von Jahren von einer Reihe verschiedenster antiker Völker entdeckt. Dabei wurden sie zunächst lediglich zum Vergnügen als Kreisel verwendet, und erst ab dem 18. bzw. 19. Jahrhundert für Messungen eingesetzt. Gyroskope messen, wie schnell etwas um eine bestimmte Achse rotiert. Erhältlich sind sie in Varianten mit einer, zwei und drei Achsen. Was wir normalerweise X-, Y- und Z-Achse nennen, wird im Zusammenhang mit Gyroskopen manchmal auch als Gieren, Stampfen und Rollen bezeichnet. Diese Begriffe entstammen der Beschreibung von Schiffsbewegungen, für deren Messung Gyroskope oftmals verwendet werden.

 

Abbildung 1: Gyroskope mit drei Achsen, darunter das Modell L3G4200D von STMicroelectronics, sind inzwischen für einige wenige Euro (bzw. Pfund oder Dollar) pro Stück erhältlich

Heutzutage basieren die meisten in elektronischen Produkten eingesetzten Gyroskope auf der MEMS-Technologie. Gyroskope mit zwei und drei Achsen waren einmal sehr kostspielig, in den letzten Jahren ist ihr Preis jedoch deutlich gesunken. Neben den zuvor erwähnten Verbraucherprodukten werden Gyroskope auch zur Bildstabilisierung in Kameras sowie in einer Unmenge anderer Anwendungen von Industrierobotern über Automobil- und Kranstabilisierungssysteme bis hin zu ferngesteuerten Flugzeugen und Hubschraubern eingesetzt. Die Maßeinheit für diese Geräte ist in aller Regel Umdrehungen pro Minute (kurz: U/min). RS Components Sortiment an Gyroskopen finden Sie hier.

Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigung. Die Maßeinheit hierfür ist für gewöhnlich Meter pro Sekunde pro Sekunde (m/s²), die sogenannte G-Kraft kann jedoch auch verwendet werden. Sie können zudem zur Erkennung der Ausrichtung (wie beispielsweise im iPhone) verwendet werden, da sie im statischen Modus die Erdbeschleunigung erkennen können. Im Dynamikmodus messen sie Beschleunigungswerte. RS Components Sortiment an Beschleunigungssensoren finden Sie hier.

Abbildung 2: Analog Devices bietet den Beschleunigungssensor ADXL335BCPZ mit drei Achsen in einem kompakten LFCSP EP Paket mit 16 Pins. Zudem besteht die Option für eine Evaluierungsplatine

Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors oder eines Gyroskops sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

 

• Die Anzahl der Achsen, die Sie vermessen möchten
• Der Funktionsbereich – Maximal- und Minimalwerte, und ob diese Werte frei wählbar oder fest eingestellt sind
• Wie empfindlich ist die Komponente?
• Die Auflösung – wie präzise die Messungen sein können
• Wie interagiert die Komponente mit Ihrem System: Sind analoge oder digitale Ausgänge vorhanden (nahezu alle sind inzwischen digital)?
• Wieviel Leistung sie aufnehmen, und ob Sleep-Modi zur Einsparung von Energie vorhanden sind; dies ist insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten von Bedeutung
• Formfaktor – wie gut die Komponente in den für sie vorgesehenen Raum hineinpasst. Manche Geräte sind in BGA- oder LGA-Paketen erhältlich, manch andere kommen in Paketen mit herkömmlicher Oberflächenmontage

 

Falls Sie das Beste aus beiden Welten suchen, ist MikroElektronikas InvenSense MPU-6000, ein Motion-Tracking-Gerät mit sechs Achsen, das einen Beschleunigungssensor mit drei Achsen, ein Gyroskop mit drei Achsen und einen digitalen Bewegungsprozessor enthält, eine gute Wahl. Dabei handelt es sich um eine IMU auf einer kleinen PCB, die über mikroBUS™ SPI, I2C, RST und INT-Leitungen mit Ihrem Target-Board-Prozessor kommuniziert.

 

Abbildung 3: Die MPU-6000 IMU bietet Motion-Tracking-Funktionen in 6 Achsen.

Ebenso erhältlich ist der Murata SCC1300-D04, der ein Gyroskop mit einem Beschleunigungssensor mit drei Achsen vereint. Hierbei handelt es sich um ein robustes Hochleistungsgerät mit hoher Reichweite, einer Drehratenmessung von ±300 °/s und einer Beschleunigungsmessung auf drei Achsen mit ±6 g.

 

Abbildung 4: Muratas SCC1300-D04 ist auf Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt, in denen eine hohe Reichweite, eine hohe Genauigkeit und mechanische Robustheit besonders wichtig sind