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Bild 3: ADXL355 ist ein rauscharmer, low Power, 3-Achsen MEMS-Beschleunigungssensor mit geringer Drift. (Bild: Analog Devices)

Neueste kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren ersetzen in Anwendungen zunehmend die traditionellen, hauptsächlich piezoelektrischen Beschleunigungssensoren. Applikationen wie CBM (Condition-based maintenance), Strukturüberwachung (SHM), Anlagenüberwachung (AHM), Vitaldatenüberwachung (VSM) und IoT sind Einsatzgebiete für die nächste Generation an MEMS-Sensoren, die dafür maßgeschneiderte Lösungen bieten.

Tabelle 1: Beschleunigungs-Sensortypen und typische Applikationsgebiete.

Tabelle 1: Beschleunigungs-Sensortypen und typische Applikationsgebiete. Analog Devices

Bei der Vielzahl der Beschleunigungssensoren und Applikationen gestaltet sich die richtige Wahl nicht einfach, denn kein Industriestandard definiert, welche Kategorie an Beschleunigungssensoren jeweils passt. Tabelle 1 zeigt einige Kategorien und die korrespondierenden Applikationen. Die gezeigten Werte für Bandbreite und g-Bereich sind typisch für Beschleunigungssensoren in der gezeigten Endanwendung.

Bild 1 zeigt eine Momentaufnahme des Angebots an MEMS-Beschleunigungssensoren und ordnet jeden Sensor entsprechend seiner Schlüsselparameter und dem Grad der Intelligenz/Integration der jeweiligen Applikation zu. Ein Hauptaugenmerk dieses Artikels gilt den Beschleunigungssensoren der nächsten Generation auf Basis fortschrittlicher MEMS-Strukturen und Signalverarbeitung, zusammen mit erstklassigen Gehäusetechniken bieten sie Stabilität und Rauschperformance, vergleichbar mit denen von teuren Nischenprodukten und haben gleichzeitig geringen Stromverbrauch.

Diese Attribute und andere kritische Beschleunigungssensor-Spezifikationen stehen im folgenden Abschnitt entsprechend ihrer Applikationsrelevanz im Mittelpunkt – weitere Details per Donwnload am Beitragsende.

Bild 1: Bild 1: MEMS-Beschleunigungssensoren von Analog Devices für verschiedene Applikationsgebiete, die eine Lage oder Bewegungsrichtung (Neigung, englisch Inklination oder Tilt) erkennen müssen.Schlüsselkriterien sind dabei Bias-Stabilität, Offset über Temperatur, geringes Rauschen, Wiederholgenauigkeit, Schwingungsrektifizierung und Querachsenempfindlichkeit. Analog Devices

Bild 1: Schlüsselkriterien für MEMS-Beschleunigungssensoren sind Bias-Stabilität, Offset über Temperatur, geringes Rauschen, Wiederholgenauigkeit, Schwingungsrektifizierung und Querachsenempfindlichkeit. Analog Devices

Wichtige Spezifikationen für Neigungssensorik

Die akkurate Erfassung der Neigung (englisch Inklination oder Tilt) ist eine anspruchsvolle Applikation für kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren, speziell bei gleichzeitiger Vibration. Die Verwendung kapazitiver MEMS-Beschleunigungssensoren zur Erfassung einer Neigungswinkelgenauigkeit von 0,1° in einer dynamischen Umgebung ist schwierig – kleiner als 1° ist generell schwierig, größer als 1° ist sie aber gut zu erreichen.

Tilt und Inklination mit einem Beschleunigungssensor effizient zu messen, fordert vom Entwickler gute Kenntnisse über die Sensorperformance und die Umgebung der Endapplikation. Statische Umgebungen bieten viel bessere Voraussetzungen bei der Messung der Inklination als dynamische Umgebungen, da Vibration oder Schock die Neigungsdaten verfälschen und zu großen Messfehlern führen. Die wichtigsten Spezifikationen für die Messung von Tilt sind Tempco-Versatz, Hysterese, Rauscharmut, Kurz-/Langzeit-Stabilität, Wiederholgenauigkeit und gute Schwingungsrektifizierung.

Thema auf der nächsten Seite: Kalibration, Kompensation und Signalverarbeitung mit dem I-Sensor.

Eckdaten

Neue Beschleunigungssensoren von Analog Devices erfassen die  Neigung (Inklination, Tilt) genau. Schlüsselkriterien für MEMS-Sensoren (ADXLxxx) sind Bias-Stabilität, Offset über Temperatur, geringes Rauschen, Wiederholgenauigkeit, Schwingungsrektifizierung und Querachsenempfindlichkeit. Die intelligenten I-Sensoren mit bis zu zehn Freiheitsgraden (ADIS16xxx) sind hoch integriert und programmierbar für Applikationen unter dynamischen Bedingungen. Der Beitrag charakterisiert besondere Eigenschaften verschiedener Sensortypen.

I-Sensor mit Kalibrierfunktion, Kompensation und Signalverarbeitung

I-Sensors oder intelligente Sensoren mit vier bis zehn Freiheitsgraden sind hoch integriert und programmierbare Bauteile für Applikationen unter dynamischen Bedingungen. Diese integrierten Plug-and-Play-Lösungen bieten Werkskalibrierung, embedded-Kompensation wie auch Signalverarbeitung. Sie vermeiden damit alle bislang genannten Fehler am Einsatzort und reduzieren alle Einschränkungen bei Design und Verifikation.

Diese umfangreiche Werkskalibrierung betrifft die gesamte Sensorsignalkette bezüglich Empfindlichkeit und Bias über den spezifizierten Temperaturbereich von typischerweise -40 °C bis +85 °C. Für jeden I-Sensor gibt es Korrekturformeln, mit denen nach der Installation eine präzise Messung erfolgen kann. In einigen Systemen ersetzt die Werkskalibrierung die Kalibrierung im System oder vereinfacht sie generell.

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Bild 2: ADIS16210 für präzise dreiachsige Inklination. Analog Devices

I-Sensoren zielen auf spezielle Applikationen. Der in Bild 2 gezeigte ADIS16210 wurde entwickelt und zugeschnitten für Inklinationsapplikationen und bietet entsprechend gebrauchsfertig eine vorkonfigurierte relative Genauigkeit von <1°. Diese ist zurückzuführen auf die integrierte Signalverarbeitung und die bauteilspezifische Kalibrierung für eine optimale Genauigkeit. Mehr über I-Sensor später im Abschnitt Stabilisierung.

Neueste Beschleunigungssensor-Architekturen wie vom ADXL355 sind universell einzusetzen (Inklination, Zustandsüberwachung, Vitalstrukturüberwachung, IMU/AHRS-Applikationen) und bieten weniger applikationsspezifische aber trotzdem integrierte Blöcke mit vielen Funktions-Merkmalen wie in Bild 3 gezeigt.

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Bild 3: ADXL355 ist ein rauscharmer, low Power, 3-Achsen MEMS-Beschleunigungssensor mit geringer Drift. Analog Devices

Zwei Beschleunigungssensoren im Vergleich

Im folgenden Abschnitt wird der Allzweck-Beschleunigungssensor ADXL345 mit dem ADXL355 verglichen, ein aktueller rauscharmer und Low-Power-Sensor, der breit eingesetzt werden kann, zum Beispiel als IoT-Sensorknoten und als Inklinometer (Neigungsmesser). Der Vergleich zeigt die Fehlerquellen in einer Neigungsapplikation und erklärt, welche Fehler sich kompensieren oder beseitigen lassen.

Tabelle 2 zeigt eine Fehlerquelleneinschätzung für den Consumer-Beschleunigungssensor ADXL345. Zur Erreichung der besten Tilt-Genauigkeit ist eine Temperaturstabilisierung oder Kompensation erforderlich. In diesem Beispiel wird eine konstante Temperatur von 25 °C angenommen. Die größten nicht kompensierbaren Fehler stammen vom Offset über die Temperatur, von der Bias-Drift und vom Rauschen. Eine geringere Bandbreite reduziert das Rauschen, wobei Inklinationsapplikationen typischerweise eine Bandbreite unter 1 kHz erfordern.

Tabelle 2: Fehlerquelleneinschätzung des ADXL345.

Tabelle 2: Fehlerquelleneinschätzung des ADXL345. Analog Devices

Tabelle 3 zeigt die selben Kriterien für den ADXL355. Bei 25 °C wurde für den universell einsetzbaren ADXL345 die kompensierte Tiltgenauigkeit mit 0,1° ermittelt. Beim Industrietyp ADXL355 sind es 0,005°. Vergleicht man ADXL345 und ADXL355, kann man respektive erkennen, dass der größere Fehlerbeitrag vom Rauschen stark reduziert wurde auf 0,05° bis 0,0045° und die Bias-Drift auf 0,057° bis 0,00057°. Das zeigt den großen Fortschritt bei den kapazitiven MEMS-Beschleunigungssensoren bezüglich Rauschen und Bias Drift – und es ermöglicht deutlich bessere Werte für die Inklinationsgenauigkeit unter dynamischen Bedingungen.

Weitere Kalibrierungsmöglichkeiten finden Sie auf der nächsten Seite.

Eine hohe Tilt-Genauigkeit erreichen

Bei der Auswahl eines hochwertigen Beschleunigungssensors ist es wichtig, die erforderliche Performance zu erreichen, insbesondere wenn die Applikation eine Tilt-Genauigkeit kleiner als 1° erfordert. Die Genauigkeit kann abhängig von den Applikationsbedingungen variieren (große Temperaturwechsel, Vibration) wie auch von der Wahl des Sensortyps (Consumer- versus Industrie- oder taktischer Typ).

Tabelle 3: Fehlerquelleneinschätzung des ADXL355.

Tabelle 3: Fehlerquelleneinschätzung des ADXL355. Analog Devices

In diesem Fall erfordert der ADXL345 eine extensive Kompensation und Kalibrierung, um die <1° Tiltgenauigkeit zu erreichen. Im Bereich 25 °C bis 85 °C ist die Tempco-Offset-Drift 1,375°– was bereits nicht die Anforderung nach weniger als 1° für die Tilt-Genauigkeit erfüllt. Die maximale Tempco-Offset-Drift des ADXL355 im Bereich 25°C bis 85°C ist 0,5°.

Die Wiederholgenauigkeit von ADXL354 und ADXL355 ist für zehn Jahre vorausbestimmt und schließt Tests zu Temperaturdrift wie auch Geschwindigkeitsänderungen, Breitbandrauschen und Temperaturhysterese ein.

VRE mit weniger Messbandbreite reduzieren

Datenblätter verschweigen oft Werte für Wiederholgenauigkeit und Immunität gegenüber dem Schwingungsgleichrichtungsfehler (VRE, vibration rectification error), denn sie sind ein Indikator für geringere Performance. Beispielsweise ist der universell einsetzbare ADXL345 für Consumerapplikationen ausgelegt, wo das VRE für den Designer keine große Rolle spielt. In anspruchsvolleren Applikationen wie etwa Initialnavigation in Inklinationsapplikationen oder in vibrationsstarken Umgebungen ist der VRE relevant, weshalb die Datenblätter von ADXL354 bis 357 diese Werte nennen.

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Bild 4: VRE-Test des ADXL355 bei unterschiedlichen Bandbreiten. Analog Devices

VRE ist das Verhalten eines Beschleunigungssensors bei Vibrationen. Gleichgerichtete Schwingungsanteile können den Offset des Beschleunigungssensors driften lassen, was speziell in Applikationen große Fehler bewirkt, die den DC-Ausgang verwenden. Jede kleine Änderung am DC-Offset kann als Änderung der Inklination interpretiert zu Systemfehlern führen.

Größere Messbandbreiten führen zur Integration der hochfrequenten In-Band-Vibrationen und bewirken einen höheren VRE (Bild 4). Eine Einschränkung der Messbandbreite vermeidet dieses Problem und blendet Hochfrequenzvibrationen aus.

Offset-Fehler durch Clipping bei Schockeinwirkung

Inklinationmessungen in dynamischen Umgebungen und bei Vibration wie sie in Landmaschinen oder Drohnen vorkommen, erfordern einen Beschleunigungssensor mit großem Messbereich wie beispielsweise ADXL356/ADXL357. Messungen mit Sensoren in einem begrenzten Messbereich neigen zum Clipping mit dem Ergebnis eines zusätzlichen Offsets am Ausgang. Clipping tritt auf bei Schocks mit schnellen Anstiegszeiten und langsamen Abklingen oder bei einem Gravitationsfeld von 1 g. In höheren g-Bereichen ist das Clipping reduziert, was den Offset für eine bessere Inklinationsgenauigkeit in dynamischen Applikationen verringert.

Themen auf der nächsten Seite: Sensoren für Stabilisierungsanwendungen.

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Bild 5: Diese inertiale Messeinheit (IMU) arbeitet in sechs Freiheitsgraden. Analog Devices

Sensoren für Stabilisierungsanwendungen

Für  viele Stabilisierungs-Applikationen ist die Kombination von Gyroskop und Beschleunigungssensor (Sensorfusion) erforderlich (Bild 5). Sie kommen zur Erfassung komplexer Bewegungssignale beispielsweise  in einem UAV-basiertem Überwachungssystem und in Antennenausrichtsystemen auf Schiffen zum Einsatz.

IMUs (Inertiale Messeinheit) mit sechs Freiheitsgraden nutzen mehrere Sensoren, so können sie Schwächen untereinander kompensieren. Die einfache Erfassung inertialer Bewegung in einer oder in zwei Achsen erfordern derzeit Beschleunigungssensoren und Gyroskope in Sensorfusion, um Vibration, Gravitation und andere Einflüsse zu kompensieren. Ein Beschleunigungssensor oder ein Gyroskop (Kreiselstabilisator) alleine kann dies nicht präzise bewältigen.

Die Daten eines Beschleunigungssensors beinhalten eine Gravitätskomponente und Beschleunigungs­anteile von Bewegungen. Diese sind untrennbar, per Gyroskop lässt sich jedoch die Gravitätskomponente vom Sensorausgangssignal entfernen.

Tabelle 4: Industrielle MEMS-Bauteile bieten umfangreiche Charakterisierung aller bekannten potentiellen Fehlerquellen und erzielen gegenüber Konsumerprodukten eine Verbesserung bei der Präzision um Größenordnungen.

Tabelle 4: Industrielle MEMS-Bauteile bieten umfangreiche Charakterisierung aller bekannten potenziellen Fehlerquellen und erzielen gegenüber Consumerprodukten eine Verbesserung bei der Präzision um Größenordnungen. Analog Devices

Industrie-IMUs sind Größenklassen genauer

Die Endapplikation bestimmt die erforderliche Genauigkeit, und ob Consumer- oder Industriesensoren zum Einsatz kommen. Tabelle 4 zeigt die Hauptunterschiede zwischen Consumer- und Mittelklasse-Industriesensoren, integriert in einer IMU. Die Nachfrage nach Sensoren für den Einsatz in dynamischer Umgebung steigt, denn die weniger genauen Bausteine können die Vibrations- oder Temperatureffekte in der aktuellen Messung nicht kompensieren und erreichen nur Genauigkeiten um 3° bis 5°.

Um in einer dynamischen Umgebung eine Treffergenauigkeit von 1° herunter bis 0,1° zu erzielen, muss ein Sensor Driftfehler über Temperatur und Vibrationseinflüsse unterdrücken können. Sensorfilterung und Algorithmen (Sensorfusion) können die Performance-Lücke zwischen den Consumer- und Industriesensoren nicht schließen.

Die neue Klasse an Industrie-IMUs von Analog Devices erreicht eine Performance nahe derer, die früher in Flugkörperleitsystemen gefordert wurde. ADIS1646x und ADIS1647x bieten präzise Bewegungserfassung in Standard- und IMU-Mini-Gehäusen, ermöglichen das, was früher nur in Nischenapplikationen möglich war.

Chris Murphy

Applikationingenieur im European Centralized Applications Center von Analog Devices in Dublin

(jwa)

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