Beschleunigungsmesser

Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor (Fühler), der die Beschleunigung misst, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Somit kann z. B. bestimmt werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme oder -abnahme stattfindet. Der Beschleunigungssensor gehört zur Gruppe der Inertialsensoren.

Er wird auch Beschleunigungsmesser oder Accelerometer genannt, weiterhin B-Messer und G-Sensor.

Anwendungen

Die Beschleunigung ist eine mechanische Größe, die in vielen Bereichen der Technik eine große Rolle spielt. Beschleunigungssensoren haben daher eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten - zum Beispiel:

• Messung von (linearen) Beschleunigungen (Beschleunigungsmesser).
• Messung von Vibrationen an Gebäuden und Maschinen.
• Aktive Federungssysteme in Fahrzeugen.
• Alarmanlagen bei beweglichen Gütern oder als Berührungssensor.
• Schutz vor Head-Crash bei Festplatten. (z.B. Apples Sudden Motion Sensor)
• Health-Care-Anwendungen, Gesundheitsvorsorge und Überwachung.
• Bei Crashtests in den Dummys und Fahrzeugen.
• Sensorik in Unterhaltungsindustrie bei Mobiltelefonen oder digitalen Kameras.
• Schadensuntersuchungen beim Warentransport.
• Seismik und Erdbeben-Monitoring.
• Neigungsmessung in statischen Systemen (d. h. solange andere Beschleunigungen im Vergleich zur Erdbeschleunigung vernachlässigbar sind).
• Aktive Lautsprecher.
• Zusammen mit Gyroskopen zur Lageregelung oder Stabilisierung von Luftfahrzeugen wie Hubschraubern oder UAVs.
• Zur Steuerung von Videospielen (Wii)

Kleinsensoren mit einer Masse von wenigen Gramm haben Messbereiche von einigen g bis zu Dutzenden oder sogar hunderten g und sind robust gegen Stöße. Die Auflösung erreicht 0,01mg.

Präzisionsinstrumente mit einer Masse von mehreren Kilogramm liefern Genauigkeiten von 10^-9g. In Bergbau und Technik wurde schon früh die Kontrolle von Aufzügen durch Beschleunigungssensoren durchgeführt, weil hier ein eindimensionales Messsystem genügt. Auch für die Satelliten- und Raketentechnik und die Analyse von Fahrzeugbewegungen oder die Autoelektronik ist die Beschleunigungsmessung unentbehrlich.

Viele technische Anwendungen benötigen volle dreidimensionale Messungen, etwa im Maschinenbau, zur Steuerung von Robotern oder in der Raumfahrt. Hier ist Miniaturisierung eine wichtige Voraussetzung - neben Unempfindlichkeit gegen Temperatur, Vibrationen und andere Effekte. Zahlreiche Anwendungen kommen aber mit 2D-Sensoren aus, wenn es hauptsächlich um Bewegungen in einer Ebene geht. Präzisions-Accelerometer werden teilweise auch für Messungen im Erdschwerefeld eingesetzt - siehe Gravimetrie und Gradiometrie, sowie der ESA-Satellit GOCE.

Messprinzipien

Die ersten dieser Messinstrumente hatten eine sog. „sensitive (empfindliche) Achse“, auf der die Prüfmasse verschiebbar angeordnet war. Sie waren bis etwa 1970 - in Verbindung mit Kreiseltechnik - die Basis vieler Steuerungsmethoden und der Inertialnavigation; später wurden sie weitgehend durch genauere Systeme mit biegsamen Quarz-Stäben („Q-Flex“) oder magnetisch stabilisierten Massen ersetzt. Miniaturisierte Sensoren sind meist mit piezoelektrischen Sensoren oder als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaut. Werden kontinuierliche Beschleunigungsmessungen aufgezeichnet, so bezeichnet man diese Messreihe als Akzelerogramm (Analog zum Seismogramm, das durch ein Seismometer aufgezeichnet wird).

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren

Ein piezokeramisches Sensorplättchen wandelt dynamische Druckschwankungen zunächst in eine elektrische Ladung um, die ein Ladungsverstärker in eine einfach messbare Spannung verwandelt. Die Druckschwankung wird durch eine an der Piezokeramik befestigte („seismische“) Masse erzeugt und wirkt bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramik. Dieses System wird z. B. bei Radauswuchtungsmaschinen verwendet, wo jede Unwucht des Rades ein entsprechendes Signal in der Piezokeramik erzeugt. Es erkennt innerhalb von Sekunden die Unwucht am Reifen. Konstante Beschleunigungen (z. B. Erdbeschleunigung) können mit piezoelektrischen Beschleunigungssensoren nicht erfasst werden, weil die Ladung durch die unvermeidlichen Isolationswiderstände nicht konstant bleibt.

Mikrosysteme

In den letzten Jahren haben miniaturisierte Beschleunigungssensoren zunehmend Bedeutung erlangt. Diese sind mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) und werden aus Silicium hergestellt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die „Federn“ nur wenige μm breite Silicium-Stege sind und auch die Masse aus Silicium hergestellt ist. Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden. Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazitätsänderung von nur ca. 1 pF, daher muss die Elektronik zur Auswertung dieser kleinen Kapazitätsänderung gleich auf demselben Halbleiterbaustein integriert werden.

Es gibt auch Varianten, bei denen auf dem Biegebalken piezoresistive Widerstände durch Ionenimplantation angebracht sind, die entsprechend der Biegung ihren Widerstand ändern und so auf die Beschleunigung zurückschließen lassen.

Für die Herstellung dieser miniaturisierten Sensoren werden die Masse und die kleinen Silicium-Federn (Silicium-Beinchen) mittels Fotolithografie aus dem Silicium herausgeätzt. Um eine freitragende Struktur zu erhalten, wird eine darunterliegende Schicht aus Siliziumdioxid ebenfalls durch Ätzen entfernt.

Diese Art von Beschleunigungssensoren hat den Vorteil relativ geringer Stückkosten (Massenfertigung) und hoher Zuverlässigkeit (manche solcher Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen). Auf Grund der geringen Größe zeichnen sie sich auch durch hohe Messgeschwindigkeit aus. Sie werden daher z. B. zur Auslösung von Airbags in Fahrzeugen eingesetzt.

Weitere „klassische“ Beschleunigungssensoren

• Dehnungsmessstreifen: Eine weitere Möglichkeit die Bestimmung der Kraft auf die Testmasse, indem die Verformung der Befestigung (z. B. eines Stabes) mittels Dehnungsmessstreifen bestimmt wird (vor allem für niedrige Frequenzen geeignet).
• Magnetische Induktion: Bei der Bewegung der an einer Feder aufgehängten Testmasse wird durch einen Magneten in einer Spule eine elektrische Spannung induziert, ähnlich wie in einem dynamischen Mikrofon (Tauchspulenmikrofon).