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Beschleunigungssensoren

Beschleunigungsmesser sind integrierte Schaltkreise oder Module zur Messung der Beschleunigung des Objekts, an dem sie befestigt sind. Sie finden unter anderem in folgenden Bereichen Verwendung: Fahrzeugdynamik, Erkennung der Ausrichtung von Mobilfunktelefonen, Bildstabilität, Neigungs-/Erschütterungserkennung und Diebstahlschutz. Beschleunigungsmesser basieren auf verschiedenen Technologien und nutzen unter anderem den Piezoeffekt, den Piezowiderstand und die Kapazitätsvariation.

Kapazitätsbeschleunigungsmesser sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, darunter auch als Schwingungssensoren auf der Basis eines abstimmbaren Schwingkreises und als Mikrosysteme (MEMS, Micro Electrical Mechanical Systems). Abstimmbare Schwingkreise enthalten einen Kondensator, dessen Platte als bewegliche membranartige Masse gegenüber anderen festen Platten agiert. Bei einer Beschleunigung verbiegt sich die Membran und verursacht damit eine kapazitive Änderung. Dadurch ändert sich die Spitzenspannung der Schwingung. MEMS-Beschleunigungsmesser werden als Drehkondensatoren umgesetzt, deren Änderung über einen angelenkten Stab erfolgt, der mit einer Prüfmasse verbunden ist. Es gibt sie in Ausführungen, die 1 bis 3 Achsen unterstützen. MEMS-Beschleunigungsmesser nutzen serielle Schnittstellen, wie zum Beispiel I2C und SPI. Sie besitzen eine hohe Linearität und eignen sich vor allem für Niederfrequenzaufgaben.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser leiten die Beschleunigung von der Spannung ab, die durch den Piezoeffekt keramischer oder kristalliner piezoelektrischer Werkstoffe entsteht. Eine Spannung entsteht, wenn die Trägheit einer befestigten Masse das Material beim Beschleunigen belastet. Piezoelektrische Vorrichtungen haben einen hohen Frequenz- und Temperaturbereich. Sie eignen sich perfekt für die Messung von Schwingungen und kommen bei zahlreichen Aufgaben in der Forschung und Industrie zum Einsatz, wozu auch die Prozesssteuerung gehört.

Piezoresistive Beschleunigungsmesser leiten die Beschleunigung von Widerstandsänderungen ab, die durch den Piezoeffekt piezoelektrischer Werkstoffe entstehen. Der Widerstand ändert sich, wenn die Trägheit einer befestigten Masse das Material beim Beschleunigen belastet. Die Ausgangsspannung piezoresistiver Sensoren verhält sich proportional zu ihrem Widerstand. Erhältlich sind sie sowohl als MEMs als auch mit aufgeklebtem Dehnungsmessstreifen. Sie kommen bevorzugt für Hochfrequenz- und Hochpräzisionsaufgaben sowie bei der Messung hoher g-Werte zum Einsatz. Beispiele für Einsatzbereiche sind Fahrzeugbremsanlagen, Airbags und seismische Messungen.

Ein wichtiger Aspekt von Beschleunigungsmessern ist der Beschleunigungsbereich. Er wird angegeben als Quotient aus +/-‘g’s – also Erdbeschleunigung oder 9,80665 m/s2. Wichtig ist auch die Empfindlichkeit, die normalerweise durch die Bit-Genauigkeit des eingebauten AD-Wandlers begrenzt ist. Aus der Beschaffenheit ihres Durchlassbereichs für die Beschleunigungsmessung geht die kleinste und die größte messbare Beschleunigung hervor. Die maximale Abtastrate entscheidet darüber, wie präzise der Beschleunigungsmesser eine momentane Beschleunigung oder ihre Änderungsquote messen kann. Die Änderungsquote einer Beschleunigung wird als „Ruck“ bezeichnet.

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