Beschleunigungssensoren, auch als Accelerometer bezeichnet, haben sich in den letzten Jahren in vielen Gebieten der Technik verbreitet. Seit diese Sensorart preisgünstig und mit hoher Präzision hergestellt werden kann, ist ihr Siegeszug nicht mehr zu stoppen.
Jedem Smartphone-Besitzer ist die Eigenschaft seines Handies bekannt, dass sich beispielsweise Bilder auf dem Display des Gerätes automatisch der Ausrichtung des Smartphones anpassen. Bei Digitalkameras gehört ein digitaler Bildstabilisator zur Standardausrüstung. Auch in diesen beiden Fällen ist ein Accelerometer im Einsatz. Beim Smartphone wird die Schwerkraft genutzt um die horizontale oder vertikale Ausrichtung des Gerätes zu erfassen. In der Digitalkamera werden minimalste Bewegungen detektiert und dazu benutzt bewegungsbedingte Unschärfen aus den Photos herauszurechnen.
Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?
Prinzipiell gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, Beschleunigungen zu messen. Entsprechende Sensoren wurden aber erst durch den Einsatz der MEMS-Technologie wirklich praktikabel.
MEMS steht dabei für Micro Electro-Mechnical System. Im Spezialfall der Beschleunigungssensoren wird mit dieser Technik ein mikroskopisch kleiner Trägerstab hergestellt, der freischwingend aufgehängt wird. An diesem Träger befindet sich ein winziges Plättchen, welches sich zwischen zwei Kondensatorplatten frei bewegen kann. Dadurch entstehen zwei mikroskopisch kleine Kondensatoren (C1 und C2 in der Abbildung).
In der Ruhelage befindet sich das Plättchen in der Mitte zwischen den beiden festen Kondenstorplatten. Wird der Aufbau beschleunigt, kommt es zu einer Auslenkung des Trägerstabes und damit zu einer Verschiebung des Plättchens. Die beiden Teilkondensatoren C1 und C2 verändern damit ihre Kapazität. Diese Kapazitätsänderung wird mit Hilfe eines elektronischen Wandlers gemessen.
Moderne Accelerometer enthalten neben der MEMS-Einheit auch bereits die gesamte Messelektronik, zusammengefasst in einem einzigen IC-Gehäuse. An einem Pin des ICs wird eine Spannung zur Verfügung gestellt, deren Größe proportional zur gemessenen Beschleunigung ist.
Aufbau eines Beschleunigungsmessgerätes
Ein klassischer Vertreter in der Familie der Beschleunigungssensoren ist der ADXL50 der Firma Analog Devices. Dieser wird in einem 10-poligen Gehäuse geliefert. Mit einem zusätzlichen Operationsverstärker kann damit ein hochempfindlicher Beschleunigungssensor aufgebaut werden. Die Anzeige des Messwertes kann sehr gut über eine Bargraph-Anzeige mit 30 LEDs realisiert werden dazu kommen 3 Bargraph-Treiber LM3914 zum Einsatz. Weitere Details zu diesen sehr universell einsetzbaren ICs finden sich im Lernpaket „Sensortechnik".
Als Operationsverstärker kann praktisch nahezu jeder Universaltyp verwendet werden. Eine gute Wahl ist beispielsweise der LM 358 oder der in diesem Aufbau verwendete 4-fach OP LM324. Details zum Einsatz des Operationsverstärkers können im Bedarfsfall der Anleitung zum Lernpaket „Elektronik mit ICs" entnommen werden.
Die drei Bargraph-Treiber können problemlos kaskadiert werden. Ein entsprechendes Schaltbild zeigt Abbildung 2.
Die gesamte Schaltung passt gut auf ein Breadboard. Ein kompletter Aufbau ist in Abbildung 3 zu sehen.
Mit einer Plexiglas-Abdeckhaube entsteht ein formschönes und praxistaugliches Accelerometer. Die Schaltung wird mit ca. 5 V betrieben. Im mobilen Einsatz empfiehlt sich daher die Verwendung von drei 1,5 V Batterien (= 4,5 V) oder von vier Akkuzellen (= 4 x 1,2 V = 4,8 V).
Zum hier verwendeten Beschleunigungssensor ADXL50 existieren zwischenzeitlich auch verbesserte Nachfolgetypen, wie etwa der ADXL335. Diese sind eventuell leichter zu beschaffen.
Beschleunigungssensoren werden auch sehr häufig im Zusammenhang mit Mikrocontrollern eingesetzt. Hier dienen sie dann oft zum Steuern von Servo- oder Schrittmotoren. Für den einfachen Einsatz der Sensoren werden dazu sogenannte Break-Out-Boards angeboten auf welchen der Sensor fertig montiert ist.
Über passende Steckverbindungen kann der Sensor dann mit einem Analogeingang des Controllers verbunden werden.
Anwendungen für Beschleunigungssensoren
Eine wichtige und interessante Anwendung des Accelerometers ist die elektronische Wasserwaage. Da der Sensor natürlich auch auf die Erdbeschleunigung reagiert, ändert sich die Anzeige je nach der Lage des Sensors relativ zur Horizontallinie. Bereits geringste Verkippungen von wenigen Winkelgraden werden so präzise angezeigt. Ein wichtiger Vorteil gegenüber den konventionellen Wasserwagen mit einer Luftblase in einer Flüssigkeit ist natürlich die einfache Ablesbarkeit insbesondere auch aus größerer Entfernung.
Als weitere Anwendung kann der Beschleunigungssensor in einem Fahrzeug montiert werden. Dann können die erreichten Beschleunigungswerte direkt an der LED-Bargraphanzeige abgelesen werden.
Dabei ist die Anwendung nicht nur auf die klassische Vorwärts- bzw. Bremsbeschleunigung beschränkt. Auch Zentrifugalbeschleunigungen können bei geeigneter Ausrichtung des Accelerometers angezeigt werden.
WICHTIGER HINWEIS: Lassen Sie sich beim Einsatz des Accelerometers nicht vom Straßenverkehr ablenken. Unfallgefahr!
In dieser Abbildung ist der Einsatz des Accelerometers zur Messung von Zentrifugalbeschleunigungen in einem Fahrzeug zu sehen.
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