Accelerometer

En accelerationssensor (også accelerometer , accelerometer , vibrationssensor , vibrationssensor , accelerometer , accelerometer , B-kniv eller G-sensor ) er en sensor, der måler dens acceleration . Dette gøres for det meste ved at bestemme inertiekraften, der virker på en testmasse . Således for. B. afgøre, om der sker en hastighedsforøgelse eller -nedgang Accelerationssensoren tilhører gruppen af inerti-sensorer .

Hvis der registreres kontinuerlige accelerationsmålinger , kaldes denne række målinger et accelerogram.

Målestok

Accelerationen måles i SI- enheden m · s ⁻² (meter pr. Sekund i kvadrat). I praksis er det dog ofte givet som et multiplum eller en del af middelværdien af accelerationen på grund af tyngdekraften . Den gennemsnitlige acceleration på grund af tyngdekraft er betegnet med g (lille " G " i kursiv ) og afrundes til 9,81 m · s ^-2 .

${\ displaystyle 1g = \ mathrm {9 {,} 81 {\ frac {m} {s ^ {2}}}}}$

Eksempler på anvendelse

Acceleration er en mekanisk variabel, der spiller en vigtig rolle inden for mange teknologiske områder . Accelerometre har derfor en lang række mulige anvendelser - for eksempel:

• Måling af (lineære) accelerationer (accelerometer)
• Måling af vibrationer på bygninger og maskiner
• Udløsning af airbags i køretøjer
• Aktive affjedringssystemer i køretøjer
• Alarmsystemer til bevægelige varer eller som en berøringssensor
• Beskyttelse mod hovedkrascher på harddiske
• Sundhedsapplikationer, sundhedspleje og overvågning
• Under kollisionstest i dummies og køretøjer.
• Sensorteknologi i digitale kameraer (fx til automatisk skift fra stående til bredt billede og billedstabilisering )
• Sensorteknologi i smartphones
• Undersøgelser af skader under transport af varer
• i accelerometre og seismografer inden for seismik og jordskælv overvågning
• Hældningsmåling i statiske systemer (dvs. så længe andre accelerationer er ubetydelige sammenlignet med accelerationen på grund af tyngdekraften )
• Aktive højttalere
• Sammen med gyroskoper til holdningskontrol eller stabilisering af fly såsom helikoptere eller UAV'er
• Til styring af videospil
• I minedrift og teknologi blev elevatorer tidligt kontrolleret ved hjælp af accelerationssensorer, hvor et endimensionelt målesystem var tilstrækkeligt. Senest siden offentliggørelsen af ​​ISO 18738 "Måling af liftkvalitet" i 2003 har den tredimensionelle accelerationssensor også fundet vej til elevatorkonstruktion.
• Accelerationsmåling er også uundværlig for satellit- og raketteknologi og analyse af køretøjets bevægelser eller bilelektronik .
• Præcisionssensorer bruges undertiden også til målinger i jordens tyngdekraftsfelt - se gravimetri og gradiometri samt ESA-satellitten GOCE .
• Positionsbestemmelse med inerti-navigationssystemer , herunder inertiale navigationssystemer; INS erstattes i stigende grad af GPS, især inden for luftfart.
• Sovefase vækkeur ; disse vækker den person, der skal vækkes på et tidspunkt, hvor de bevæger sig. Dette sikrer, at personen ikke vågner op i REM-fasen , hvilket normalt fører til større træthed senere på dagen. Bevægelsessensorer er også tilstrækkelige her .
• Indsamling og udvinding af mechano-biologiske deskriptorer i styrketræning

Måleprincipper

Den første af disse måleinstrumenter havde en såkaldt "følsom akse ", hvorpå den seismiske masse var arrangeret, så den kunne forskydes med fjedre, og som for eksempel betjente en glidemodstand med en glidekontakt . Disse såkaldte gyrometre - i forbindelse med gyroskopiske instrumenter - var grundlaget for mange kontrolmetoder og inerti-navigation indtil omkring 1970 .

Senere blev de stort set erstattet af mere præcise systemer med fleksible kvartsstænger (“Q-Flex”) eller magnetisk stabiliserede masser. Miniaturiserede sensorer er normalt bygget med piezoelektriske sensorer eller som MEMS (mikro-elektro-mekanisk system). Mange tekniske applikationer kræver fulde tredimensionelle målinger, for eksempel inden for maskinteknik , til styring af robotter eller i rumrejser . Her er miniaturisering en vigtig forudsætning - ved siden af ​​ufølsomhed over for temperatur, vibrationer og andre effekter. Talrige applikationer styres med 2D- sensorer , men når det hovedsageligt drejer sig om bevægelser i et plan.

Små sensorer med en masse på få gram har måleområder fra få g til tiere eller endda hundreder af g og er robuste mod stød. Opløsningen når 0,01 m g .

Præcisionsinstrumenter med en masse på flere kg giver nøjagtigheder på 10 ⁻⁹ g .

I princippet er de fleste af de accelerationssensorer, der anvendes i dag, baseret på Newtons inertilov:

${\ displaystyle F = m \ cdot a}$

I tilfælde af acceleration ændrer den fjederophængte masse sin position i forhold til det omgivende sensorhus, som yderligere evalueres inde i sensoren.

Piezoelektriske accelerationssensorer

En piezoceramic sensorplade konverterer dynamiske trykudsving til elektriske signaler, der kan behandles i overensstemmelse hermed. Tryksvingningerne genereres af en (seismisk) masse, der er fastgjort til piezoceramikken og virker på piezoceramikken, når hele systemet accelereres. Dette system er z. B. anvendes i hjulafbalanceringsmaskiner, hvor hver ubalance på hjulet genererer et tilsvarende signal i piezoceramic. Det registrerer dækets ubalance inden for få sekunder.

Microsystems

MEMS acceleration og gyrosensor

I de senere år er miniaturiserede accelerationssensorer blevet stadig vigtigere. Disse er mikro-elektro-mekaniske systemer (MEMS) og er for det meste lavet af silicium . Disse sensorer er fjedermassesystemer, hvor "fjedrene" er siliciumbaner, kun få μm brede, og massen er også lavet af silicium. På grund af afbøjningen under acceleration kan en ændring i den elektriske kapacitans måles mellem den fjedermonterede del og en fast referenceelektrode . Hele måleområdet svarer til en ændring i kapacitans på ca. 1  pF . Elektronikken til evaluering af denne lille ændring i kapacitans er anbragt på det samme integrerede kredsløb (IC).

Der er også varianter, hvor piezoresistive modstande er fastgjort til bøjningsstrålen ved ionimplantation , som ændrer deres modstand i henhold til bøjningen og således gør det muligt at drage konklusioner om accelerationen.

For at fremstille disse miniaturiserede sensorer ætses massen og de små siliciumfjedre (siliciumstifter) ud af siliciumet ved hjælp af fotolitografi . For at opnå en selvbærende struktur fjernes et underliggende lag af siliciumdioxid også ved ætsning.

Denne type accelerationssensorer har fordelen ved relativt lave enhedsomkostninger (masseproduktion) og høj pålidelighed (nogle sådanne sensorer kan modstå accelerationer op til tusind gange måleområdet uden beskadigelse). På grund af deres lille størrelse er de også kendetegnet ved deres høje målehastighed. Du er derfor z. B. bruges til at udløse airbags i køretøjer.

Sensorer i MEMS-teknologi fremstilles ikke kun til måling af (lineær) acceleration, men også til måling af vinkelhastigheden , såkaldte rotationshastighedssensorer eller gyroskoper .

Flere accelerationssensorer

• Trækmålere : En anden mulighed er at bestemme kraften på testmassen ved at bestemme deformationen af ​​vedhæftet fil (f.eks. En stang) ved hjælp af trækmålere (især egnet til lavere frekvenser).
• Magnetisk induktion : Når testmassen suspenderes fra en fjeder, induceres en elektrisk spænding i en spole af en magnet svarende til en dynamisk mikrofon ( bevægelig spolemikrofon ).
• Den Ferraris Sensoren måler den relative acceleration uden en prøvemasse anvendelse hvirvelstrømme. Det bruges til at analysere og kontrollere meget dynamiske drev.

Se også

• Vibrationskalibrator

Weblinks

Individuelle beviser

1. ↑ Claudio Viecelli, David Graf, David Aguayo, Ernst Hafen, Rudolf M. Füchslin: Brug af smartphone-accelerometerdata til at få videnskabelige mekanisk-biologiske beskrivelser af modstandstræningstræning . I: PLOS ONE . bånd 15 , nr. 7 , 15. juli 2020, ISSN  1932-6203 , s. e0235156 , doi : 10.1371 / journal.pone.0235156 , PMID 32667945 , PMC 7363108 (fri fuldtekst). 
2. ↑ Jörg Böttcher: Accelerometre. I: Onlinekompendium med måleteknologi og sensorteknologi. Hentet 13. august 2019 .