Beschleunigungssensor

Was ist ein Beschleunigungssensor?

Einfach ausgedrückt, ist ein Beschleunigungssensor ein Gerät, das in der Lage ist, seine Beschleunigung zu erfassen und in ein messbares Signal umzuwandeln. Beschleunigung ist dabei definiert als die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit.

• Beschleunigungssensoren messen Beschleunigung entlang einer oder mehrerer Achsen.
• Sie können die Bewegung eines Geräts in Echtzeit verfolgen und als Daten darstellen.
• Erkennt Bewegungen wie Schwingen, Schütteln oder Neigen.

Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?

Du fragst dich sicher, wie ein Beschleunigungssensor diese faszinierende Aufgabe bewältigt. Nun, es hängt alles von der Art des Sensors ab. Manche Beschleunigungssensoren nutzen die Kraft der Physik und den Mechanismus der Trägheit, während andere auf optische, magnetische oder piezoelektrischer Technologie setzen.

Mit der Formel für die kinetische Energie, \(E_k = \frac{1}{2}mv^2\), und der Definition der Beschleunigung als Änderung der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit, lässt sich diese Bewegung quantitativ beschreiben.

Verschiedene Arten von Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren sind in vielen verschiedenen Arten und Ausführungen erhältlich, die jeweils auf unterschiedlichen Technologien und Prinzipien basieren. Wir werden uns nun drei spezielle Arten genauer ansehen: MEMS, kapazitive und piezoelektrische Beschleunigungssensoren.

MEMS Beschleunigungssensor

MEMS steht für Micro-Electro-Mechanical Systems, was übersetzt "mikro-elektromechanische Systeme" bedeutet. Sie werden auch als micromechanische Sensoren bezeichnet. MEMS-Beschleunigungssensoren sind in der Regel kleiner als andere Sensortypen und stimmen sehr gut mit miniaturisierten, integrierten Schaltungen überein, was sie öffnet ideal für den Einsatz in tragbaren Geräten.

• Sie bieten hervorragende Leistung in einem kleinen, leichten Paket.
• Sie sind in der Regel kostengünstiger als andere Sensortypen.
• Sie sind ideal für Massenproduktion und integrierte Anwendungen.

Kapazitiver Beschleunigungssensor

Kapazitive Beschleunigungssensoren messen Änderungen der elektrischen Kapazität in Reaktion auf Beschleunigung. Sie bestehen aus mindestens zwei Mikrostrukturen: einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode. Wenn der Sensor beschleunigt wird, ändert sich der Abstand zwischen diesen Elektroden, was eine Änderung der Kapazität verursacht.

• Sie eignen sich besonders gut für Anwendungen mit geringer Amplitude und hoher Frequenz.
• Ideal für Anwendungen, die eine hohe Sensitivität und Stabilität erfordern.
• Kapazitive Sensoren sind sehr widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse wie Temperatur und Feuchtigkeit.

Piezoelektrischer Beschleunigungssensor

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt zur Messung der Beschleunigung. Unter Druck erzeugen bestimmte Materialien, sogenannte piezoelektrische Substanzen, eine elektrische Ladung. Dieses Prinzip nutzen piezoelektrische Sensoren, um kinetische Energien in elektrische Ladungen umzuwandeln.

• Sie eignen sich gut für hochfrequente, transiente oder schockartige Bewegungen.
• Piezoelektrische Sensoren sind sehr robust und überstehen auch raue Bedingungen.
• Sie sind jedoch weniger geeignet für statische oder langsame Bewegungen.

Anwendung von Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren sind wegen ihrer hohen Genauigkeit, ihrer Konstruktion und ihrer Vielseitigkeit in vielen Branchen und Technologien von entscheidender Bedeutung. Sie spielen eine Schlüsselrolle in zahlreichen Anwendungen und machen innovative Technologien erst möglich.

Beschleunigungssensor in Smartphones

Die Begrenzungsfunktionalität von Smartphone-Beschleunigungssensoren ist sehr vielfältig. Eines der bekanntesten Beispiele ist das Ändern der Bildschirmorientierung, wenn das Telefon gedreht wird. Aber das ist bei weitem nicht alles, was du mit einem Beschleunigungssensor in einem Smartphone tun kannst.

Beschleunigungssensoren in der Ingenieurwissenschaft

Beschleunigungssensor: Praktische Beispiele

Es gibt viele realistische Anwendungsfälle für Beschleunigungssensoren, von einfach bis hin zu hochkomplexen Systemen. Hier sind drei Beispiele für die Anwendung von Beschleunigungssensoren in der Praxis.

Der Aufbau eines Beschleunigungssensors

Beschleunigungssensoren, obwohl klein und oft unsichtbar, sind eine bemerkenswerte technische Leistung. Ihre Konstruktion variiert je nach Art des Sensors - beispielsweise MEMS, kapazitiv oder piezoelektrisch - aber gemeinsam ist allen, dass sie aus einer Kombination von mechanischen und elektronischen Komponenten bestehen, die zusammenarbeiten, um Änderungen in der Beschleunigung zu messen und in ein nützliches Signal umzuwandeln.

Beschleunigungssensor: Der einfache Aufbau

Auf grundlegender Ebene ist ein Beschleunigungssensor aufgebaut, um Differenzen in der kinetischen Energie zu erkennen, also die Energie, die mit der Bewegung eines Objekts verbunden ist. Im Inneren des Sensors gibt es ein verschiebbares Element, das sich mit Änderungen der Geschwindigkeit oder Richtung des Sensors bewegt.

Dieses verschiebbare Element ist in der Regel an eine Art Federmechanismus angeschlossen. Wenn der Sensor beschleunigt, verschiebt die veränderte kinetische Energie das Element, was die Feder zusammendrückt oder ausdehnt. Indem der Grad der Verdrängung gemessen wird, kann die Beschleunigung berechnet werden.

Die Bewegung des verschiebbaren Elements verändert auch eine Art physikalische Eigenschaft, die elektronisch gemessen werden kann. Bei kapazitiven Sensoren zum Beispiel ändert sich die elektrische Kapazität; bei piezoelektrischen Sensoren wird eine elektrische Ladung erzeugt. Es ist diese Änderung der physikalischen Eigenschaft, die von den elektronischen Komponenten des Sensors in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und dies wiederum kann analysiert und interpretiert werden, um präzise Beschleunigungsdaten zu liefern.

Der detaillierte Aufbau eines Beschleunigungssensors

Auf einer detaillierteren Ebene setzt sich der Aufbau eines Beschleunigungssensors aus einer Reihe von Komponenten zusammen. Beginnen wir mit den mechanischen Teilen.

Die zentrale Komponente des Sensors ist das verschiebbare Element, auch als tabellarischer Transduktor bezeichnet. Es ist fest mit einer Feder verbunden. Wenn der Sensor beschleunigt wird, führt die resultierende Veränderung der kinetischen Energie dazu, dass sich das verschiebbare Element verzerrt, welches durch die Feder je nach Art des Sensors in unterschiedlichen Graden zusammengedrückt oder ausdehnt wird.

Die Bewegung des verschiebbaren Elements wirkt sich auf eine weitere Komponente des Sensors aus, die als Sensorelement bezeichnet wird. Je nach Sensortyp misst das Sensorelement eine Änderung der elektrischen Kapazität (bei einem kapazitiven Sensor), erzeugt eine elektrische Ladung (bei einem piezoelektrischen Sensor) oder beobachtet eine Verschiebung von winzigen Strukturen auf einem Siliziumchip (bei einem MEMS-Sensor).

Alle diese Messungen erfordern empfindliche und genaue elektronische Systeme. Das elektronische System eines Beschleunigungssensors enthält in der Regel eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Sensorelements sowie ein System zur Signalverarbeitung, das das rohe elektrische Signal in ein einfacher zu interpretierendes Format umwandelt.

Die Umwandlung eines rohen elektrischen Signals in nützliche Daten ist eine komplexe Aufgabe, die hochpräzise Leistungselektronik und raffinierte Algorithmen erfordert. Schließlich ist das interpretierte Signal das, was letztlich zur Berechnung von Beschleunigungsdaten verwendet wird.