Messtechnik Der richtige Dreh Neigungssensoren mit Gyroskop sorgen für die korrekte und sichere Steuerung mobiler Geräte TWK www.twk.de Bei mobilen Geräten und Fahrzeugen, wie beispielsweise mobilen Betonpumpen, muss die Neigungsmessung stets präzise erfolgen, damit es nicht zu Störungen im Betriebsablauf kommt und schon gar nicht zu Unfällen. Neigungssensoren mit Gyroskop-Korrektur sind für derartige Anwendungen optimal geeignet. Sie verknüpfen Messsignale zu einem korrigierten Ausgangssignal, das den Messwinkel exakt anzeigt - auch unter schwierigen Einsatzbedingungen. Das Gyroskop Ein Kreiselinstrument, auch Kreiselstabilisator oder Gyroskop (griechisch für ‚Drehung‘ und ‚sehen‘) genannt, ist ein rasch rotierender, symmetrischer Kreisel, der sich in einem beweglichen Lager dreht. Das Lager kann eine kardanische Aufhängung sein oder ein Rahmen in Form eines Käfigs. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsver mögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. MEMS-Sensoren Eine preisgünstige und dennoch gute Methode für die Neigungsmessung ist der Einsatz so genannter MEMS- (Mikrosystem-) Sensoren dazu zu verwenden. Ein Mikro system ist ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von einem Mikrometer haben und als System zusammenwirken. Üblicherweise besteht ein Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip. Dabei bewegt sich die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern. Diese elektronischen Chips sind wenige Mikrometer klein und bestehen aus elektronischen und mikromechanischen Strukturen, das heißt neben den üblichen mikroelektronischen Schaltkreisen sind auch mechanisch bewegliche Strukturen in den Chips vorhanden. Diese Strukturen lenken sich aus, wenn die g-Kraft der Erde auf sie einwirkt. Gleichzeitig ändern sich die von diesen Strukturen gebildeten Kapazitäten (Kondensatoren). Diese werden messtechnisch erfasst, und ein Neigungswinkel wird errechnet und ausgegeben. Ist eine MEMS Zelle noch weiteren Beschleunigungen neben der Erdbeschleunigung ausgesetzt - sei es durch Erschütterungen oder durch Beschleunigungen in einem Fahrzeug - werden die beweglichen MEMS-Strukturen auch bewegt, und ein verfälschter Neigungswert wird ausgegeben. Die angeschlossene Steuerung reagiert vielleicht falsch und es passiert ein Unglück - beispielsweise mit mobilen Maschi- 10 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019
Messtechnik Bild: Kalman Filter in einer Dimension nen, wie Mobilkränen, Betonpumpen, Gabelstaplern, etc. Messsignale zusammenführen An dieser Stelle kommt das Gyroskop ins Spiel. Dabei handelt es sich um einen Drehratensensor, ebenfalls in MEMS-Technologie. Die mikromechanischen Strukturen sind jedoch so gestaltet, dass Winkelgeschwindigkeiten (°/s) gemessen und als Ausgangssignal ausgegeben werden. Es misst also die Änderungen eines Neigungswinkels und nicht den Neigungswinkel an sich, wenn sich das MEMS- Gyroskop um die eigene oder eine verlängerte Achse dreht. Der Vorteil dabei ist, dass die oben genannten linearen Beschleunigungen, die den Beschleunigungs-MEMS-Sensor stören, den Gyroskop-MEMS Sensor nicht beeinflussen, da sie keine Drehung darstellen. Wie lassen sich diese beiden Sensoren zu einem störungsunempfindlichen Neigungs-Messsystem zusammenfassen? Sensordatenfusion und Kalman-Filter Die Lösung ist es, beide Messsignale zusammenzuführen und über einen bestimmten Filter - den Kalman-Filter - zu optimieren. Beim Kalman-Filter handelt es sich um ein mathematisches Verfahren. Benannt ist das Filter nach seinen Entdeckern Rudolf E. Kálmán, Richard S. Bucy und Ruslan L. Stratonovich, die das Verfahren unabhängig voneinander entdeckt bzw. wesentliche Beiträge dazu geliefert haben. Diese Filtertechnologie ermöglicht es, den auszugebenden Messwert zu kalkulieren, korrigieren und zu prädizieren, das heißt für eine kurze Zeit vorausschauend zu bestimmen. Dies ist notwendig, da der Beschleunigungssensor bei einwirkenden dynamischen Störbeschleunigungen keinen exakten Neigungsmesswert liefern kann. Stattdessen werden in Echtzeit (
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