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Die Messung der Beschleunigung ist nicht nur bei Fahrzeugtests und im Physikunterricht nützlich. Ein elektronisches Gerät, das als Beschleunigungsmesser bekannt ist, wird zur Messung der Beschleunigung verwendet und ist weit verbreitet in der Unterhaltungselektronik, Navigation, Robotik, Automobiltechnik und sogar in medizinischen Anwendungen.
Beschleunigungsmesser - Funktionsprinzip
Beschleunigungsmesser arbeiten nach dem Prinzip der Trägheitskraft. Trägheit ist eigentlich keine Kraft, aber sie ist verantwortlich für den Widerstand, den ein Körper einer Änderung seines Bewegungszustandes entgegensetzt. Trägheit ist eine Eigenschaft von Körpern, die dazu führt, dass der Körper Änderungen seines Bewegungszustands, d. h. einer Änderung der Geschwindigkeit oder der Richtung, widersteht. Nach Newtons erstem Gesetz der Dynamik bleibt ein ruhender Körper im Ruhezustand, und ein sich bewegender Körper bewegt sich in einer gleichmäßigen geradlinigen Bewegung, wenn keine äußere Kraft auf ihn einwirkt oder wenn die einwirkenden Kräfte sich ausgleichen. Ein Beschleunigungsmesser ist ein Gerät, das die Vibration oder die Bewegungsbeschleunigung einer Struktur misst. Die durch eine Vibration oder eine Bewegungsänderung (Beschleunigung) hervorgerufene Kraft bewirkt, dass die Masse das piezoelektrische Material “zusammendrückt”, wodurch eine elektrische Ladung proportional zur ausgeübten Kraft entsteht. Und da die Ladung proportional zur Kraft ist und die Masse konstant ist, ist die Ladung auch proportional zur Beschleunigung.
Diese Sensoren werden in vielerlei Hinsicht eingesetzt, sogar auf Raumstationen, aber bleiben wir auf dem Boden – schauen wir uns die mobilen Geräte an.
Die meisten heutigen Smartphones verfügen über einen Beschleunigungssensor, mit dessen Hilfe das Telefon erkennt, ob es in eine bestimmte Richtung beschleunigt wird. Aus diesem Grund reagiert das Display des Telefons, wenn es gedreht wird. In der Industrie helfen Beschleunigungsaufnehmer den Ingenieuren, die Stabilität von Maschinen zu verstehen und unerwünschte Kräfte und Vibrationen zu überwachen.
Wie funktioniert der Beschleunigungsmesser? Beschleunigung
Die grundlegenden Regeln kennen wir bereits, also lassen Sie uns nun einen Blick ins Innere werfen. Ein Beschleunigungsmesser arbeitet mit einem elektromechanischen Sensor, der zur Messung der statischen oder dynamischen Beschleunigung bestimmt ist. Die Beschleunigung kann eine konstante Kraft sein, die auf einen Körper wirkt. Dazu gehören zum Beispiel die Schwerkraft oder die Reibung. Diese Kräfte sind weitgehend vorhersehbar und einheitlich. Die Erdbeschleunigung liegt beispielsweise konstant bei 9,8 m/s, und die Schwerkraft ist an jedem Punkt der Erde nahezu gleich groß.
Dynamische und damit veränderliche Beschleunigungskräfte sind ungleichmäßig, und die besten Beispiele dafür sind Vibrationen oder Stöße. Bei einem Autoaufprall beispielsweise ändert sich die Beschleunigung im Vergleich zu vorher abrupt. Die Theorie und die Idee hinter Beschleunigungsmessern ist, dass sie Beschleunigungen erkennen und in messbare Größen, wie z. B. elektrische Signale, umwandeln können.
Arten von Beschleunigungsaufnehmern
Ein Blick auf einige von ihnen soll ein besseres Verständnis für die Unterschiede vermitteln, auch wenn es je nach Anwendung und Spezifikation noch weitere Typen gibt, die von Unternehmen und Forschungseinrichtungen entwickelt werden.
- Piezoelektrische Beschleunigungsmesser nutzen das Phänomen der Piezoelektrizität. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich dabei um das Phänomen, dass manche Materialien in der Lage sind, als Reaktion auf eine mechanische Belastung oder Verformung eine elektrische Spannung zu erzeugen und sich umgekehrt infolge einer angelegten elektrischen Spannung zu verformen. Mit anderen Worten: Wenn wir auf ein solches Material eine Kraft ausüben, z. B. indem wir es zusammendrücken, führt dies zu Veränderungen in der atomaren Struktur, die sich in einer elektrischen Spannung niederschlagen. In piezoelektrischen Beschleunigungsmessern wird die Beschleunigung in eine Kraft umgewandelt, die auf den piezoelektrischen Kristall wirkt, der eine der Beschleunigung proportionale Spannung erzeugt.
- Kapazitive Beschleunigungsmesser hingegen nutzen Kapazitätsänderungen zwischen zwei oder mehreren Elektroden als Reaktion auf die Beschleunigung. Das Funktionsprinzip besteht darin, den Abstand zwischen den Elektroden oder ihre Überlappung zu verändern, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Diese Kapazitätsänderungen können dann in einen Beschleunigungswert umgerechnet werden.
- MEMS-Beschleunigungsmesser oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind eine Technologie zur Herstellung mechanischer und elektronischer Geräte. MEMS ermöglichen die Miniaturisierung und Integration mehrerer Funktionen in einem kleinen Chip, was grundlegende Vorteile wie Platzersparnis, geringer Stromverbrauch und hochpräzise Messungen mit sich bringt. MEMS-Beschleunigungsmesser werden auf dünnen Schichten aus Siliziumdioxid hergestellt und verwenden mikromechanische Strukturen wie Federn und Massen zur Messung der Beschleunigung. Die durch die Beschleunigung verursachte Massenverschiebung wird von kapazitiven oder resistiven Sensoren erfasst.
- Potentiometrische Beschleunigungsmesser arbeiten nach dem Prinzip, dass sich der Widerstand eines internen Potentiometers in Abhängigkeit von der Beschleunigung ändert. Ein Beispiel für einen solchen Beschleunigungsmesser ist der Kugelbeschleunigungsmesser, der die Beschleunigung auf der Grundlage der Veränderung der Position einer Kugel in einer Metallschale misst, die zu einer Veränderung des Widerstands eines Potentiometers führt.
- Laser-Beschleunigungsmesser oder optische Beschleunigungsmesser arbeiten mit Laserlicht und dem Prinzip der Interferometrie, um die Verschiebung einer durch Beschleunigung erschütterten Oberfläche zu messen. Die Phasenverschiebung des Lichts wird gemessen und in einen Beschleunigungswert umgewandelt. Sie zeichnen sich durch hohe Präzision, die Erfassung sehr kleiner Beschleunigungsänderungen und große Dynamikbereiche aus.
Beschleunigungsmesser in der Elektronik
Es lohnt sich auf jeden Fall, die Entscheidung zu treffen, Elektronik zu lernen – das weiß jeder Botland-Blog Leser. Der Beschleunigungsmesser kann ein interessantes Werkzeug für Experimente und die Entwicklung von Fähigkeiten sein. Eine davon ist die Erforschung von Sensoren. Da Beschleunigungsmesser zu den am häufigsten verwendeten Sensoren in der Elektronik gehören, vermittelt die Verwendung eines Beschleunigungsmessers ein besseres Verständnis dafür, wie Sensoren funktionieren und wie ihre Messwerte zu interpretieren sind. Von dort ist es nicht mehr weit bis zum nächsten Schritt, der Entwicklung interaktiver Geräte, denn Beschleunigungsmesser werden häufig bei der Entwicklung von Gadgets wie Game Controllern, Smartphones, Tablets oder Smartwatches eingesetzt. Durch die Entwicklung eigener elektronischer Projekte unter Verwendung des Beschleunigungssensors können Sie Ihre Fähigkeiten in den Bereichen Schnittstellendesign und Bewegungssteuerung verbessern.
Als nächstes steht die Amateur-Robotik auf dem Programm. Beschleunigungssensoren sind im Bereich der Bauroboter äußerst nützlich – ein Beschleunigungssensor ermöglicht eine bessere Messung und Überwachung von Bewegungen, Stabilisierung und Kollisionserkennung.
Es ist in der Tat schwierig, alle Bereiche aufzuzählen, in denen Beschleunigungssensoren in Tracking-Anwendungen eingesetzt werden. Dazu gehören die biomechanische Analyse, die Überwachung der körperlichen Aktivität und die Trägheitsnavigation.
Nichts hindert Sie daran, Experimente im Bereich des Designs und der Programmierung auszuprobieren. Die Arbeit mit dem Beschleunigungssensor erfordert die Integration von Hardware und Software. Daher können Sie lernen, wie man Mikrocontroller und Plattformen wie den Arduino oder Raspberry Pi programmiert.
Beschleunigungsmesser-Parameter
Es ist nützlich, die weniger offensichtlichen Elemente der Beschleunigungsmesser-Spezifikationen zu kennen als die, die sich auf die Stromversorgung und den Stromverbrauch beziehen.
- Der Messbereich des Beschleunigungssensors bestimmt die maximale Beschleunigung, die vom Beschleunigungssensor gemessen werden kann. Sie wird gewöhnlich in Beschleunigungseinheiten wie g oder m/s² ausgedrückt.
- Die Auflösung ist die kleinstmögliche Änderung der Beschleunigung, die der Beschleunigungsmesser erfassen kann. Es liegt auf der Hand, dass die Messungen umso genauer sind, je höher die Auflösung ist.
- Die Empfindlichkeit gibt an, wie eine Änderung der Beschleunigung vom Beschleunigungsmesser in eine Änderung des Ausgangssignals umgewandelt wird. Sie wird in Einheiten des Signals pro Beschleunigungseinheit ausgedrückt, zum Beispiel mV/g.
- Ein systematischer Fehler, der sowohl ein Parameter als auch ein Begriff ist, den man sich merken muss, ist ein Fehler, der bei wiederholten Messungen einer bestimmten Größe unter unveränderten Bedingungen auftritt und der entweder in Wert und Vorzeichen konstant bleibt oder sich gemäß einer bestimmten Beziehung ändert. Bei Beschleunigungsmessern handelt es sich um eine konstante Verschiebung des Ausgangssignals, die auch bei fehlender Beschleunigung auftreten kann. Ein niedriger Wert ist wünschenswert.
- Der dynamische Bereich bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der maximalen Beschleunigung und dem kleinsten Messwert, der von dem Beschleunigungsmesser genau gemessen werden kann. Je größer der Dynamikbereich ist, desto größer ist der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Signal, das aufgezeichnet werden kann.
- Die Abtastrate gibt an, wie oft der Beschleunigungsmesser die Beschleunigung misst. Sie wird in Hertz (Hz) angegeben und beeinflusst die Fähigkeit des Beschleunigungsmessers, schnelle Änderungen der Beschleunigung zu registrieren.
- Das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. Signal-to-Noise Ratio, SNR) definiert das Verhältnis zwischen dem Messsignal und dem Rauschpegel. Ein höherer SNR bedeutet eine bessere Qualität des Messsignals.
