Bild 1. Die neuen MEMS-Beschleunigungssensoren ADXL356 und ADXL357 von Analog Devices.

Bild 1. Die neuen MEMS-Beschleunigungssensoren ADXL356 und ADXL357 von Analog Devices. (Bild: Analog Devices)

Tablets, Smartphones, Spielkonsolen, Camcorder und Kameras haben die Welt der Sensoren revolutioniert. Auch MEMS-Beschleunigungssensoren und -Drehratengeber (Gyroskope) haben von der Revolution profitiert. Solche Sensoren sind in der Lage kleinste Bewegungen präzise zu messen und können die Leistungsfähigkeit in Geräten, in denen sie zum Einsatz kommen, verbessern und die Funktionalität erweitern.

Überschrift

In Anwendungen der Zustandsüberwachung in Bauwerken oder Maschinen greifen Entwickler oftmals auf winzige MEMS-Sensoren zurück. Sie erfassen präzise etwa Neigungen, aber auch Bewegungen sowie Vibrationen und können so Aufschluss über den Zustand des Gebäudes geben. Für die Sensoren spricht zudem ihre kompakte Größe sowie ein geringer Stromverbrauch.

Zwar waren es die Consumer-Anwendungen, die die Nachfrage nach diesen Sensoren angefacht haben, jedoch hat ihr Einsatz auch in anderen Märkten eine steigende Tendenz. Mit der Digitalisierung und der damit einhergehenden Einführung des Internet of Things sind sie nicht mehr nur Nebenakteure, vielmehr agieren sie als zentrale Elemente industrieller Infrastruktur-Applikationen. MEMS-Sensoren überwachen hier beispielsweise den Zustand von Maschinen, Gebäuden und anderen Strukturen. Mit diesen neuen Anwendungen aber kommen neue spezifische Leistungsfähigkeits- und Zuverlässigkeitsstandards ins Spiel.

Intelligente Infrastrukturen

Die Digitalisierung lässt sich nutzen, um intelligente Infrastrukturen zu schaffen, was eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt. Dazu zählen etwa eine verbesserte Kapazität, Effizienz und Zuverlässigkeit. Mit intelligenten Infrastrukturen lassen sich zusätzliche, zielgerichtete Dienste für Anwender realisieren, ohne dass der Investitions- oder Ressourcenbedarf steigt. Eine vernetzte Infrastruktur kann darüber hinaus Daten erfassen, mit denen sich künftige Infrastrukturen effizienter konstruieren und implementieren lassen. Abgesehen davon lässt sich durch die Einbringung von Intelligenz in die Infrastruktur auch das große Thema Instandhaltung besser bewältigen.

Auch bei der Gebäudeüberwachung spielen MEMS-Sensoren eine wichtige Rolle. Sie können beispielsweise Neigungsänderungen messen und lineare oder drehende Bewegungen erfassen. Ebenso dienen sie der Vibrationsanalyse. All das ist auch unter extremen Bedingungen möglich. Nicht zuletzt ermöglichen diese Sensoren auch eine vorausschauende Instandhaltung, um die verfügbaren Ressourcen besser zu nutzen und bei der Vermeidung von Ausfällen und Betriebsunterbrechungen zu helfen.

Die MEMS-Beschleunigungssensoren der Familie ADXL35x

Mit der ADXL-Familie gibt es von Analog Devices eine Serie rauscharmer 3-Achsen-Beschleunigungssensoren: den ADXL354 mit Analogausgang, den ADXL355 mit Digitalausgang und programmierbaren Messbereichen von ±2 g, ±4 g und ±8 g, den ADXL356 mit Analogausgang, den ADXL357 mit digitalem Ausgang und programmierbaren Messbereichen von ±10 g, ±20 g und ±40 g.

Diese Bauelemente finden etwa Verwendung in IMUs (Inertial Measurement Units), Plattform-Stabilisierungssystemen, Neigungsmessern und Systemen zur vorausschauenden Instandhaltung. Diese Sensoren eignen sich für mittlere bis hohe Reichweiten. Zudem konzipierte Analog Devices sie so, dass sie auch in anspruchsvollen Anwendungen wie der seismischen Kartierung oder in vorausschauenden Instandhaltungssystemen für Industrie und Infrastruktur-Applikationen einsetzbar sind.

Fortschrittliche Features für die Bauwerkszustandsüberwachung

Für die Zustandsüberwachung von Maschinen und Bauwerken ist der Messbereich ein wichtiger Parameter. Zum Beispiel ist in Anwendungen, in denen die Beschleunigungsspitzen nicht mehr als wenige g betragen, ein Sensor mit einem Messbereich von 2 g völlig ausreichend. Allerdings werden diese Bauelemente häufig in Umgebungen eingesetzt, in denen sie starken Vibrationen und Stößen ausgesetzt sind, die den Sensor in die Sättigung treiben würden. Ist der Sensor aber gesättigt, lässt sich die korrekte Beschleunigung nicht mehr messen und die Datenerfassung stoppt, bis der Sensor wieder in den normalen Betriebszustand zurückkehrt. In einem solchen Fall sollten die Projektverantwortlichen deshalb zu einem Sensor mit einem Messbereich von 40 g greifen. Dieser gerät mit geringerer Wahrscheinlichkeit in die Sättigung, und selbst unter dem Einfluss starker mechanischer Störungen lässt sich die gewünschte Messgröße mit der richtigen Signalverarbeitung extrahieren.

Als weiterer Aspekt kommt hinzu, dass die Sensoren oftmals in vielen Infrastruktur-Anwendungen an entlegenen oder schwer zugänglichen Orten angebracht sind, weshalb in diesen Fällen ein drahtloses Sensornetzwerk die beste Wahl ist. Allerdings macht das den Stromverbrauch zu einem weiteren entscheidenden Faktor. Hier erweist es sich als günstig, dass die Sensoren der ADXL35x-Familie im Standby-Modus 21 µA aufnehmen, und auch im Mess-Modus sind es nur 150 µA bei den Versionen mit Analogausgang und 200 µA bei den Ausführungen mit digitalem Ausgang. Der FIFO-Speicher der Bausteine ADXL355 und ADXL357 übernimmt die Zwischenspeicherung der Daten, wenn sich der Host-Mikrocontroller im Sleep-Modus befindet. Ist der Speicher voll, wird der Mikrocontroller per Interrupt geweckt, um die Daten auszulesen und die erforderlichen Aktionen mit ihnen durchzuführen. Nach Abschluss des Datentransfers kehrt der Mikrocontroller in den Sleep-Modus zurück, sodass der Stromverbrauch insgesamt gering bleibt.

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Bild 2. Blockschaltbild der Beschleunigungssensoren ADXL356 und ADXL357. Analog Devices

In aller Regel kommt ein geringer Stromverbrauch mit Abstrichen bei anderen Parametern wie etwa der Geschwindigkeit oder dem Rauschen. Allerdings beträgt die spektrale Rauschdichte bei den Beschleunigungssensoren der Reihe ADXL35x 20 µg/√Hz bei den Versionen für kleine g-Werte und 80 µg/√Hz bei den Versionen für hohe g-Werte. Zudem trägt die interne Architektur zur Optimierung der Empfindlichkeit der Beschleunigungssensoren bei. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild der Beschleunigungssensoren mit Analogausgang (ADXL356), Bild 3 hingegen zeigt eine Variante mit digitalem Ausgang (ADXL357). Das aus dem Sensor kommende Signal wird einem Filterblock zugeführt, bevor die Weiterverarbeitung in den nachfolgenden Stufen erfolgt. Nach dem Filter und unmittelbar vor dem Ausgang gibt es einen Puffer und einen 32-kΩ-Widerstand, um eine weitere analoge Filterung vorzunehmen.

Bei den digitalen Sensoren ist ein zusätzliches, programmierbares Digitalfilter vorhanden. Die Cutoff-Frequenz des Tiefpassfilters wird entsprechend der Ausgangs-Datenrate eingestellt. Zusätzlich ist die Einfügung eines Hochpassfilters möglich, um insgesamt ein Bandpassfilter zu implementieren. Das wichtigste Hilfsmittel bei der Zustandsüberwachung ist die Analyse des Vibrationsspektrums, weshalb es hier auf eine große Bandbreite ankommt, um mehr Oberschwingungen erfassen zu können. Die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors liegt bei 5,5 kHz, aber der Frequenzgang wird im Wesentlichen von den Anti-Alias-Filtern bestimmt, deren Cutoff-Frequenz bei 1,5 kHz liegt. Um insgesamt die gewünschte Auflösung zu erzielen, übernehmen Sigma-Delta-Wandler mit einer Auflösung von 20 Bit die Analog-Digital-Wandlung. Dank dieser Eigenschaften lassen sich diese Beschleunigungssensoren auch zur Aufzeichnung seismischer Ereignisse nutzen.

Drift nicht verwechseln

Soll der strukturelle Zustand eines Gebäudes, einer Brücke, eines Gleises, eines Hochspannungsmastes oder eines anderen Infrastrukturelements überwacht werden, kommt es sehr auf die Stabilität an. Schließlich soll hier die Drift einer Struktur gemessen werden, die keinesfalls mit der Drift der Messbausteine selbst verwechselt werden darf.

Die Langzeitstabilität eines Sensors steht in Zusammenhang mit mechanischen Belastungen. So kann jede mechanische Beanspruchung, zu der es während des Schweißens kommt, zu einem elektrischen Nullpunktfehler (Offset) führen. Da sich die Belastung mit der Zeit verändern kann, unterliegt dieser Offset zudem einer gewissen Drift, die fälschlicherweise als eine Änderung der Neigung oder eines anderen Parameters der jeweiligen Struktur interpretierbar ist. Zur Vermeidung dieses Problems wird besonderes Augenmerk auf die Chipbefestigung gerichtet.

Tabelle 1: Die wichtigsten Eigenschaften der neuen MEMS-Beschleunigungssensor-Familien.

Tabelle 1: Die wichtigsten Eigenschaften der neuen MEMS-Beschleunigungssensor-Familien. Analog Devices

Ebenfalls wichtig ist die Wahl des Gehäuses. Die hier beschriebenen Beschleunigungssensoren besitzen ein robustes LCC-Keramikgehäuse mit 14 Anschlüssen, das besser vor mechanischen Belastungen schützt als die in Consumer-Anwendungen verbreitet eingesetzten Kunststoffgehäuse. Abgesehen davon zeichnet sich das Keramikgehäuse durch einen hohen Grad an Dichtigkeit aus, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen fernzuhalten und dadurch zur Langzeitstabilität beizutragen.

Es kann vorkommen, dass ein Bauelement während des normalen Betriebs unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Insbesondere die Temperatur und die Feuchte können sich auf seine Leistungsfähigkeit auswirken. Was die Feuchte betrifft, garantiert ein hermetisch dichtes Sensorgehäuse, wie es das LCC-Gehäuse mit 14 Anschlüssen darstellt, einen stabilen Betrieb auch unter ungünstigsten Bedingungen. Aufgrund ihres Betriebstemperaturbereichs von -40 °C bis +125 °C sind die Bauelemente für den Betrieb auch bei extremen Temperaturen optimiert.

Besondere Aufmerksamkeit widmete Analog Devices ferner der Minimierung der Offsetdrift als wichtigstem Parameter. Für alle drei Achsen garantiert Analog Devices eine maximale Drift von ±0.15 mg/°C für die „Low-g“-Beschleunigungssensoren ADXL354 und ADXL355 sowie eine maximale Drift von ±0.75 mg/°C für die „High-g“-Beschleunigungssensoren ADXL356 und ADXL357. Die Beschleunigungsaufnehmer sind außerdem mit einem integrierten Temperatursensor ausgestattet, der sich für die Temperaturkompensation der Drift heranziehen lässt.

Fazit

Zurzeit ist auch außerhalb der Consumer-Anwendungen eine wachsende Nachfrage nach MEMS-Sensoren festzustellen. Zum Beispiel entstehen im Industrie- und Infrastruktur-Bereich neue Anwendungsgebiete, und genau hier zählen die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit zu den wichtigsten Faktoren. Die Forschungsarbeit bei Analog Devices hat sich auf die Entwicklung von Lösungen konzentriert, die sich durch ein hohes Performance-Niveau auszeichnen und auch unter extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Die Bausteine ADXL354, ADXL355, ADXL356 und ADXL357 ergänzen die neue Familie von High-g-Beschleunigungssensoren, den ADXL1001 mit ±100 g, den ADXL1002 mit ±50 g und den ADXL1004 mit ±500 g mit äußerst geringem Rauschen und einer sehr großen Bandbreite von bis zu 24 kHz.

Cosimo Carriero

(Bild: Analog Devices)
Field Application Engineer bei Analog Devices

(prm)

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