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Neigungssensoren: Die Fusion der Sensordaten

Neigungssensoren in mobilen Anwendungen sind teils starken Vibrationen ausgesetzt. Um dennoch unverfälschte, korrekte Messwerte zu erhalten, bietet sich die Kombination des Sensors mit einem Gyroskop an.

Die Fusion der Sensordaten Bildquelle: © Shutterstock

Eine preisgünstige und dennoch gute Methode zur Neigungsmessung ist es, sogenannte MEMS-Sensoren zu verwenden. Diese bestehen aus elektronischen und mikromechanischen Strukturen, sodass neben den üblichen mikro­elektronischen Schaltkreisen auch mechanisch bewegliche Strukturen in den Chips vorhanden sind. Diese Strukturen lenken sich aus, wenn die g-Kraft der Erde auf sie einwirkt. Gleichzeitig ändern sich die von diesen Strukturen gebildeten Kapazitäten (Kondensatoren), die messtechnisch erfasst werden, um einen Neigungswinkel errechnen und ausgeben zu können.

Kombinierte Sensoren Bildquelle: © TWK-Elektronik

Die kombinierten Sensoren mit einem ­Arbeitstemperaturbereich zwischen –40 und +85° C messen Neigungswinkel bis ±100° bei einer Auf­lösung von 0,01° und einer Genauigkeit von ±0,1°. Messungen sind ein- oder zweiachsig möglich.

Ist nun aber diese MEMS-Zelle wei­teren Beschleunigungen neben der Erd­beschleunigung ausgesetzt – sei es beispielsweise durch Erschütterungen oder durch Beschleunigungen in einem Fahrzeug – werden die MEMS-Strukturen auch bewegt und ein verfälschter Neigungswert wird ausgegeben. In Folge ­reagiert die angeschlossene Steuerung vielleicht falsch und es passiert ein Unglück, etwa mit mobilen Maschinen wie Mobilkränen, Betonpumpen oder Gabelstaplern.

An dieser Stelle bringt TWK ein Gyroskop ins Spiel – einen ebenfalls in MEMS-Technologie ausgeführten Drehratensensor. Seine mikromechanischen Strukturen sind so gestaltet, dass Winkelgeschwindigkeiten (°/s) gemessen und als Ausgangs­signal ausgegeben werden. Das Gyroskop misst also Änderungen eines Neigungswinkels und nicht den Neigungswinkel an sich, wenn sich das MEMS-Gyroskop um die eigene oder eine verlängerte Achse dreht. So beeinflussen die oben genannten linearen Beschleunigungen, die den Beschleunigungs-MEMS-Sensor stören, den Gyroskop-MEMS-Sensor nicht, da sie keine Drehung darstellen.

Doch wie lassen sich die beiden Sensoren zu einem störungsunempfindlichen Neigungs-Messsystem zusammenfassen?