MEMS Neigungssensor

Neigungssensoren messen den Winkel eines Objekts im Bezug zur Schwerkraft. Diese Sensoren bestimmen “Pitch-“ und/oder „Roll-“ Winkel und geben diese Werte über die entsprechende elektrische Schnittstelle aus.

Neigungssensoren lassen sich einfach in jede Anwendung integrieren, da keine komplizierte mechanischen Verbindungen, außer der Befestigung selbst, erforderlich ist – ein echter Vorteil für Konstrukteure. POSITAL hat mehrere Arten von Neigungssensoren entwickelt, um für die verschiedenen Anwendungen jeder Industrie die richtige Lösung zu bieten. Die präzise Messung des Neigungswinkels ist für viele Bewegungssteuersysteme von großer Bedeutung.

Abb. 1: Prinzip eines MEMS-Sensors

Prüfmasse mit
Elektroden
Elektroden
feste Elektroden

Die Funktion kann mit einem vereinfachten Modell mit zwei Elektroden dargestellt werden: eine feste und die andere (die Prüfmasse) ist beweglich, aufgehängt an Federelementen (siehe Abb. 1). Befindet sich der Neigungsmesser in horizontaler Lage (Abb. 2.1), wird die Kapazitanz zwischen den Elektroden gemessen. Wird der Sensor gekippt (Abb. 2.2), ändert sich die Position der beweglichen Masse und ihrer Elektrode gegenüber der festen Elektrode. Diese resultierende Kapazitanzänderung zwischen den beiden Elektroden wird von der Sensorzelle gemessen und zur Berechnung des neuen Neigungswertes herangezogen.

Abb. 2: Position eines MEMS-Sensors

MEMS-Sensor in horizontaler Lage
MEMS-Sensor in Schräglage

Dieses Funktionsprinzip hat sich in vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen, wie z.B. Bewegungssensoren für Mobiltelefone und Auto-Airbags, bewährt. Diese Verbraucheranwendungen erfordern in der Regel niedriggradige Beschleunigungsmesserzellen, die in der Regel eine Genauigkeit von weniger als 1 Grad haben. Im Gegensatz zu Neigungsmesserzellen mit niedrigem Verbraucherverhalten enthalten die in TILTIX- Neigungsmessern verwendeten MEMS-Sensoren eine Reihe von präzisen Elektroden, um die Auflösung und Genauigkeit der Messung zu verbessern. Bei TILTIX-Neigungsmessern, die für statische oder nahezu statische Messungen ausgelegt sind, wird die bewegte Masse im MEMS physikalisch gedämpft, um die Empfindlichkeit dieser Sensoren auf Frequenzen über 29 Hz zu reduzieren.

Bei starken Stößen und bei Vibration kann es sein, dass die physische Dämpfung von statischen Neigungssensoren nicht ausreicht, um Störungen zu unterdrücken. Softwarefilter können nur im begrenzten Ausmaß dazu beitragen, die Einflüsse solcher Störungen zu reduzieren. Für statische TILTIX Neigungssensoren können Filter für “sich bewegende Durchschnittswerte” oder “exponentielle” Werte aktiviert und so konfiguriert werden, dass das Signal geglättet erscheint, allerdings mit dem Nachteil, dass die rasche Reaktionszeit der MEMS Neigungssensoren verlorengeht und die Antwort des Sensors somit verlangsamt wird.

Für dynamische Bewegungen mit starken Beschleunigungen sollten daher die dynamischen TILTIX Neigungssensoren von POSITAL verwendet werden. Sie basieren auf einer anderen Technologie, die keine physische Dämpfung umfasst, sodass es keinen Kompromiss zwischen Stabilität und Reaktionszeit geben muss.

Für Anwendungen, bei denen plötzliche Bewegungen, Stöße und Vibrationen wahrscheinlich sind, ist es wichtig, über Sensoren zu verfügen, die rasch reagieren und ein sauberes Signal erzeugen. Die dynamischen Neigungssensoren von POSITAL kombinieren zwei Messprinzipien, indem sie zwei verschiedene MEMS-Sensoren verwenden: einen 3D Beschleunigungssensor und ein 3D Gyroskop. Der 3D Beschleunigungssensor ist nicht gedämpft (im Unterschied zu den Einheiten, die in statischen Neigungssensoren verwendet werden) und kann so schnelle dynamische Bewegungen verfolgen. Gleichzeitig misst das 3D-Gyroskop basierend auf den Trägheitsprinzipien die Rotationsgeschwindigkeiten. Die Signale vom Beschleunigungsmesser und vom Gyroskop werden kombiniert, um eine Neigungsmessung zu erzeugen, bei dem die Auswirkungen der Beschleunigungen vollständig kompensiert werden. So können die dynamischen TILTIX Neigungssensoren zuverlässig für mobile Ausrüstung verwendet werden, wie z. B. Konstruktionsmaschinen, Bergbauausrüstung, Kräne oder Robotik-Anwendungen.

Das unten aufgeführte Diagramm vergleicht die Leistung eines dynamischen Neigungssensors mit einem integrierten Gyroskop mit den Ergebnissen eines konventionellen, statischen Neigungssensors, wenn beiden dynamische Bewegungen ausgesetzt werden, die schwere Stöße und Vibrationen umfassen.

Der Beschleunigungsmesser misst die Neigungsposition, während das Gyroskop die Rotationsrate bestimmt. Beschleunigungen haben einen sehr großen Einfluss auf den Beschleunigungsmesser, allerdings nur einen beschränkten Einfluss auf die gemessenen Rotationsraten des Gyroskops. Ein innovativer Algorithmus kombiniert beide Signale, um von jedem Sensor den besten Wert zu erhalten. So ist der Sensor in der Lage, den tatsächlichen Positionswert von den Fehlern zu trennen, die durch externe Beschleunigungen entstehen.

Die TILTIX Serie von Neigungssensoren ist in zwei Varianten lieferbar.

1. Ein Dual-Achsen-Sensor, der zur horizontalen Montage verwendet wird. Diese Version arbeitet mit zwei Messergebnissen, eines für die X-Achse und eines für die Y-Achse. Jede der Achsen zeigt den Neigungswinkel in Bezug auf das Gravitationsfeld.

2. Eine Version mit einer einzelnen Achsenneigungsmessung, die zur vertikalen Montage mit einem Achsenergebnis geeignet ist.

Der Hauptzweck dynamischer Neigungssensoren ist es, stabilisierte Daten für Neigungswinkel zu erhalten, ohne dazu spezielle Sensorparameter konfigurieren zu müssen. Allerdings ist es für dynamische Neigungssensoren mit CANopen-Schnittstellen auch möglich, die Beschleunigungskräfte (Beschleunigungsmesser) und die Rotationsgeschwindigkeit (Gyroskop) separat für jede der drei Achsen darzustellen. Diese Messungen werden in abbildbaren CANopen-Objekten gespeichert.

Die Überwachung der Beschleunigungskraft entlang einer oder mehreren Achsen kann dazu verwendet werden, um zusätzliche Funktionen oder Sicherheitsfunktionen auf der Steuerungsseite zu implementieren. Die Steuerung kann die Maschine anhalten, wenn ein bestimmter Beschleunigungsgrenzwert überschritten wird. Mit der zusätzlichen Information über die Rotationsgeschwindigkeit in der X-Achse ist es möglich, die horizontale Rotation (Gierdrehung) der Maschine zu messen. Der Hersteller der Maschine oder der Systemintegrator entscheiden dann, wie diese zusätzliche Information verwendet wird.

Das zugrundeliegende Messbauteil eines TILTIX-Neigungssensors ist eine MEMS-Sensorzelle, die in voll verkapselten ASIC (application specific integrated circuits - integrierte Schaltkreise für bestimmte Funktionen) eingebettet ist. Diese sind so klein, dass ein industrietaugliches, kompaktes Gehäuse für die TILTIX Neigungssensoren zum Einsatz kommen kann.

Sensor-Zykluszeit: die interne Zykluszeit des Basissensors. Eine Zykluszeit von 5 ms bedeutet, dass der Positionswert alle 5ms aktualisiert wird.

Schnittstellen-Zykluszeit: die Zykluszeit, innerhalb derer der Positionswert über die Kommunikationsschnittstelle übertragen wird. Im Gegensatz zur Sensor-Zykluszeit (die ein fester Wert ist), kann die Schnittstellen-Zykluszeit leicht vom Kunden auf der Schnittstellenebene eingestellt werden.

Absolute Genauigkeit: Die absolute Genauigkeit ist die Abweichung im schlechtesten Fall zwischen einer gemessenen Position und der tatsächlichen Position innerhalb eines definierten Bereichs.

Offset: Wenn der Neigungsmesser auf der Nullebene positioniert wird, zeigt das Ergebnis eine kleine Abweichung. Dieser Fehler auf der Nullebene wird als Offset-Fehler bezeichnet.

Dynamische Genauigkeit: Diese Genauigkeit wird genauso bestimmt wie die absolute Genauigkeit, mit dem einzigen Unterschied, dass das Gerät externen Vibrationen und Beschleunigungen ausgesetzt wird. Die dynamische Genauigkeit wurde im Zuge von Laborprüfungen mit verschiedenen Ausrüstungsgegenständen bestimmt, die eine sich bewegende Umgebung für mobile Maschinen simulieren. Die festgestellte dynamische Genauigkeit dient als Referenzwert; wir empfehlen die Evaluierung des dynamischen Verhaltens an Ihrer eigenen Maschine, da Vibrationen und Stöße in Abhängigkeit von der Maschine variieren. Die Laborprüfungen wurden mit folgender Ausrüstung durchgeführt:

• Lineare Beschleunigungen: Der Sensor wird für 1s auf einer Achse mit 10 m/s² beschleunigt.
• Vibrationen: Verschiedene Vibrationsfrequenzen zwischen 1bis 1000 Hz mit einer Kraft von 1g

Auflösung: der kleinstmögliche Schritt

Hysterese: Die Definition der Hysterese ist, dass der Ergebniswert eines Systems nicht vom tatsächlichen Input abhängig ist, sondern auch von Input-Eingaben in der Vergangenheit. Für Neigungsmesser bedeutet dies, dass der gemessene Neigungswinkel auch von der früheren Position abhängt. Es existiert ein kleiner Unterschied, wenn der Neigungsmesser von 0° bis 10° oder von 20° bis 10° geneigt wird. Diese Differenz wird durch die Hysterese beschrieben.

Temperaturgradient: Dieser Wert beschreibt die Änderung des gemessenen Neigungswinkels für eine Änderung der Temperatur. Wenn sich der Neigungsmesser in einer statischen Position befindet und die Temperatur sinkt oder steigt, ändert sich der Ergebniswert ebenfalls gemäß dem Temperaturgradienten.

Einschwingzeit: Dieser Wert beschreibt das dynamische Verhalten eines Systems. Die Einschwingzeit definiert die Zeit, die ein Neigungsmessersignal benötigt, um einen Bereich von 5% der Endposition zu erreichen und dort zu bleiben.