Hochpräzise Trägheitssensoren stehen im Mittelpunkt des Interesses

Inertial-/Trägheitssensoren wandeln Trägheitskräfte in elektrische Signale um, um die Bewegung, Drehung und Neigung von Objekten zu erfassen. Vor der Entwicklung von MEMS-Trägheitssensoren (mikroelektromechanische Systeme) waren ihre Kosten unerschwinglich, und ihr Einsatz erfolgte hauptsächlich in Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen.

Heute sind diese MEMS-Trägheitssensoren aufgrund ihrer niedrigen Kosten, hohen Leistungsfähigkeit und geringen Baugröße in der Consumer-Elektronik unverzichtbar. In einem Smartphone werden sie beispielsweise zur Erkennung der Bildschirmdrehung verwendet. Sie kommen auch im Gaming-Bereich, in Smart Wearables und Augmented-Reality-/AR-Anwendungen zum Einsatz.

Für Industriedrohnen, Züge, Flugzeuge und Baumaschinen sind jedoch Trägheitssensoren mit höherer Präzision und Stabilität erforderlich. Darüber hinaus müssen sie unter rauen Bedingungen zuverlässig funktionieren, sobald mechanische Erschütterungen und Vibrationen sowie schnelle Temperaturänderungen auftreten.

Arten von Trägheitssensoren
Es gibt zwei wesentliche Arten von Trägheitssensoren: Beschleunigungsmesser und Kreiselsensoren (Gyroskop)

Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigung, einschließlich der durch Bewegung verursachten Beschleunigungskomponenten und der durch die Schwerkraft verursachten Beschleunigung. Die Beschleunigung wird in „g“ gemessen, die ein Vielfaches der Erdanziehungskraft ist (1g = 9,8 m/s²). Beschleunigungsmesser messen auf 1, 2 oder 3 Achsen, die in einem X-, Y- und Z-Koordinatensystem definiert sind.

Gyroskope hingegen messen die Winkelgeschwindigkeit, die in Grad pro Sekunde ausgedrückt wird. Sie integrieren die Winkelgeschwindigkeit über der Zeit in einen gemessenen Bewegungswinkel, der Änderungen der Ausrichtung verfolgt. Ähnlich wie Beschleunigungssensoren sind Gyroskope von verschiedenen Anbietern als 1-, 2- oder 3-Achsen-Sensoren erhältlich, was einer gleichzeitigen Messung von Neigungs-, Roll- oder Gierwinkeln entspricht.

IMUs (Inertial Measurement Units) sind integrierte Bauelemente, die ein 3-Achsen-Gyroskop mit einem 3-Achsen-Beschleunigungsmesser auf demselben Chip (Die) kombinieren. Sie können sogar mit einem barometrischen Drucksensor oder Kompass für zusätzliche Funktionen ausgestattet werden.

Industrielle Drohnen
Der Einsatz von Drohnen nimmt in vielen Bereichen zu. Sie werden bereits in begrenzten Gebieten eingesetzt, um Videos zu drehen, große Felder zu düngen, Gebäude zu inspizieren und Standorte zu vermessen. Es wird erwartet, dass industrielle Versionen bald ein bevorzugtes Transportmittel für Lieferungen auf der letzten Meile oder für Inspektionen an schwer zugänglichen Orten werden. Doch bevor die Deregulierung von Industriedrohnen möglich ist, arbeiten Behörden weltweit immer noch daran, Gesetze und Vorschriften zu erlassen, die ihren sicheren Einsatz ermöglichen und unterstützen. Es gibt bereits eine klare Roadmap für den breiten Einsatz von Industriedrohnen in sieben Zielbereichen: Logistik, Sicherheit, Gesundheitswesen, Katastrophenschutz, Infrastrukturwartung/-management, Vermessung sowie Land-, Forst- und Fischereiwirtschaft.

Mithilfe von Trägheitssensoren können heutige Drohnen auch bei hohen Fluggeschwindigkeiten eine stabile Fluglage beibehalten. Dabei misst der Beschleunigungssensor die lineare Beschleunigung, die sich aus der Bewegung der Drohne und der Schwerkraft ergibt, während das Gyroskop Winkeländerungen über der Zeit erfasst. Da diese Sensoren ständig die Lage und Bewegung der Drohne erfassen, werden die Drehzahlen der verschiedenen Rotoren entsprechend angepasst, wodurch sich die Lage der Drohne stabilisieren und kontrollieren lässt.

Mit ihrem zunehmenden Einsatz wird erwartet, dass Industriedrohnen über dicht besiedelte Gebiete fliegen werden. Hier sind hochpräzise Trägheitssensoren erforderlich, um das Risiko von Abstürzen zu mindern und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Derartige hochpräzise Trägheitssensoren werden bereits in GNSS (Global Navigation Satellite Systems) wie GPS-basierten Fahrzeug-Navigationssystemen eingesetzt, um die Position des Fahrzeugs genau anzuzeigen. Im Bahnwesen kommen sie ebenfalls zum Einsatz, um die Position von Zügen auf den Gleisen genau zu lokalisieren.

In Situationen, in denen der Empfang jedoch unterbrochen ist, z.B. in Tunneln oder wenn sich das Fahrzeug zwischen hohen Gebäuden befindet, kann dessen Position geschätzt werden, indem GNSS-Information mit Koppelnavigation ergänzt wird. Ist jedoch überhaupt kein GNSS-Empfang vorhanden, wie etwa in einem Bergwerk, können sich Bohr- und andere Aushubmaschinen nur auf die Informationen von Trägheitssensoren verlassen. In diesen Umgebungen müssen die Trägheitssensoren hochpräzise mit minimaler Anfälligkeit für Vibrationen, Stöße, Staub und Temperaturschwankungen sein, um Funktion und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.




Anspruchsvolle Flugumgebungen
Als Pionier und Marktführer im Markt für Trägheitssensoren bietet TDK seit vielen Jahren hochpräzise Bausteine für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen, der Zugnavigation und Avionik. Dies gilt vor allem für den Einsatz in IMUs und Trägheitsnavigationssystemen (INS; Inertial Navigation Systems) für die Flugsteuerung bemannter und unbemannter Flugzeuge, die hohe Zuverlässigkeit und Präzision erfordern und nicht durch Veränderungen in der Umgebung oder im Laufe der Zeit beeinträchtigt werden.

In Flugumgebungen misst und meldet die IMU die Beschleunigung, Ausrichtung, Winkelgeschwindigkeit und andere Gravitationskräfte eines Flugobjekts basierend auf Trägheitsmessungen durch Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Ein INS hingegen ist ein Navigationsgerät, das einen Rechner, Beschleunigungsmesser und Gyroskope enthält, um die Position, Ausrichtung und Geschwindigkeit (Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit) eines sich bewegenden Objekts kontinuierlich ermittelt, ohne dass externe Referenzen erforderlich sind.

Im Vergleich zu Trägheitssensoren, die im Consumer-Bereich verwendet werden, sind sie präziser und wiederholbarer und werden bis zu 100-mal weniger durch Vibrationen beeinflusst. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Anwendungen in Zügen, Flugzeugen, für die Schiffsnavigation, in Baumaschinen und anderen Anwendungen, bei denen hohe Präzision und Langzeitstabilität in anspruchsvollen Umgebungen gefordert ist.

Der AXO ist der neueste Hochleistungs-MEMS-Beschleunigungssensor von TDK. Seine Kraft-Weg-Sensorarchitektur erzielt Genauigkeiten, die denen herkömmlicher analoger quarzbasierter Sensoren entsprechen – jedoch in einem wesentlich kleineren, leichteren und kostengünstigeren Gehäuse und mit Digitalausgang. Er verfügt über eine präzise Composite-Bias-Wiederholbarkeit von 1 mg, selbst unter schwierigen Flugbedingungen.

Das MEMS-Gyroskop GYPRO^® von TDK zeichnet sich dagegen durch eine gute Bias-Stabilität selbst in rauen Umgebungen aus und weist ein sehr geringes Rauschen und eine niedrige Latenz auf. Er ist eine kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen mechanischen und faseroptischen Kreiseln und bietet zudem einen digitalen Ausgang, kleinere Abmessungen und ein geringeres Gewicht.

Kommende Neuerungen sind auf hohe Präzision angewiesen
Hochpräzise, hochzuverlässige Inertial-/Trägheitssensoren für raue Umgebungen ermöglichen es OEMs bereits, IMU- und INS-Komponenten selbst für sicherheitskritische Anwendungen zu integrieren. Sie werden bei Neuerungen wie Frachtdrohnen und Lufttaxis, die mehr Präzision und Zuverlässigkeit erfordern, zunehmend eine entscheidende Rolle spielen.

Weitere Informationen unter: https://product.tdk.com/en/products/sensor/mortion-inertial/index.html

www.tdk-electronics.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…