3 Hersteller von 3-Achsen-Beschleunigungssensoren im Jahr 2024

Was ist ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor?

Ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor ist ein Sensor, der die Beschleunigung in den Richtungen X, Y und Z misst.

Die Beschleunigung wird in den Newtonschen Bewegungsgesetzen (zweites Gesetz) wie folgt definiert: „Wirkt auf ein Objekt eine äußere Kraft F, so wird in Richtung dieser Kraft eine Beschleunigung a erzeugt, die proportional zur Größe der Kraft F und umgekehrt proportional zur Masse m des Objekts ist“. Der mathematische Ausdruck lautet „F = ma“. Beschleunigung kann beschrieben werden als „der Betrag der Geschwindigkeitsänderung in einer bestimmten Zeitspanne“.

Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigung und verarbeiten das Signal, um die Bewegung, Vibration oder den Aufprall eines Objekts zu erkennen. Sie können auch die Schwerkraft messen, sodass bei der Berechnung der Schwerkraft auch eine Neigung erkannt werden kann. Zu den Beschleunigungssensoren gehören piezoelektrische, piezoresistive und kapazitive Typen, die je nach Anwendung ausgewählt werden.

Anwendungen von 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

3-Achsen-Beschleunigungssensoren werden heute in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt. Beispiele für die Verwendung sind Geräte wie:

1. Mobiltelefone

Sie werden verwendet, um die Ausrichtung des Bildschirms zu ändern, indem Länge und Breite erfasst werden, und zum Zählen auf einem Schrittzähler.

2. Spiel-Controller

Sie werden verwendet, um die Bewegung des Controllers zu erkennen.

3. Autos

Zur Erkennung der Körperhaltung des Fahrzeugs aufgrund von Beschleunigung/Verzögerung und Belastung, z. B. bei ABS und elektronisch gesteuerter Federung. Es wird auch bei der Erkennung von Airbag-Unfällen verwendet.

4. Roboter

Zur Steuerung der Position und Lage von Robotern.

Funktionsweise der 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

Die wichtigsten Arten von 3-Achsen-Beschleunigungssensoren sind piezoresistiv, piezoelektrisch und kapazitiv.

1. Piezoresistive 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

Piezoresistive Beschleunigungssensoren nutzen ein Phänomen, das als piezoresistiver Effekt bekannt ist, bei dem sich der Widerstand ändert, wenn eine Kraft auf ein piezoresistives Element einwirkt. Ein piezoresistives Element befindet sich an der Verbindungsstelle zwischen dem beweglichen und dem festen Teil des Sensorelements. Wenn eine Beschleunigung eintritt, wird vom beweglichen Teil aus eine Kraft auf das piezoresistive Element ausgeübt, wodurch sich der Widerstandswert ändert. Die Beschleunigung wird anhand dieser Änderung des Widerstandswertes erkannt. 

2. Piezoelektrischer 3-Achsen-Beschleunigungssensor

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, ein Phänomen, bei dem eine auf ein piezoelektrisches Objekt ausgeübte Kraft eine Polarisation und eine Spannung verursacht. Ein piezoelektrisches Element befindet sich an der Verbindungsstelle zwischen dem beweglichen und dem festen Teil des Sensorelements. Wenn eine Beschleunigung eintritt, wird vom beweglichen Teil aus eine Kraft auf das piezoelektrische Element ausgeübt, die eine elektrische Ladung erzeugt. Die Beschleunigung wird anhand der Änderungen dieser Ladung ermittelt. 

3. Kapazitiver 3-Achsen-Beschleunigungssensor

Ermittelt anhand von Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden. Im Inneren des Sensorelements befinden sich feste und bewegliche Elektroden. Wenn eine Beschleunigung eintritt, bewegen sich die beweglichen Elektroden, sodass sich der Abstand zwischen ihnen und den festen Elektroden ändert und sich die Kapazität zwischen den Elektroden ändert. Die Beschleunigung wird anhand dieser Kapazitätsänderung erkannt.

Weitere Informationen zu 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

1. Anwendungen von 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

3-Achsen-Beschleunigungssensoren sind relativ kompakte Geräte, die sich leicht anwenden lassen. Sie werden daher zunehmend im Bereich der menschlichen Bewegungsanalyse eingesetzt.

Beispiel 1: Messung der 3-Achsen-Beschleunigung am Knie beim Gehen
Ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor wird am Knie angebracht, um während des Gehens Beschleunigungsdaten zu sammeln.

Beispiel 2: Messung von links-rechts Funktionsunterschieden der unteren Gliedmaßen und der Verletzungsanfälligkeit der unteren Gliedmaßen
3-Achsen-Beschleunigungssensoren werden an den Seitenflächen der Kniegelenke beider Beine angebracht und fixiert. Die „maximale Amplitude“ eines Fußes auf der instabilen Platte wird gemessen.

Daraus ergeben sich die folgenden Ergebnisse:

Ergebnis 1: Auf das Knie einwirkende Beschleunigung
Bei der Messung mit einem 3-Achsen-Beschleunigungssensor kann die Beschleunigung für jede der folgenden Bewegungen gleichzeitig gemessen werden: Heben und Senken um das Knie herum, vorwärts und rückwärts und seitlich zur Seite. Wenn die oben genannten 3-Achsen-Beschleunigungen gleichzeitig an beiden Beinen gemessen werden, ist es auch möglich, Unterschiede in den Aufprallwerten des linken und des rechten Knies sowie das Links-Rechts-Gleichgewicht während des Gehens zu messen.

Ergebnis 2: Gangzyklus
Der Gangzyklus kann berechnet werden, indem die Zeit gemessen wird, in der die Ferse beim Gehen auf dem Boden steht. Durch die Berechnung des Gangzyklus können auch der Durchschnittswert und die Verteilung des Gangzyklus berechnet werden.

Ergebnis 3: Stoßdämpfungsfunktion
Durch die Messung der Zeit vom Aufsetzen des Fußes auf den Boden bis zum Erreichen der Beschleunigung Null kann der Grad der Stoßdämpfung durch das Knie gemessen werden. 

2. Schrittzähler-Algorithmus mit 3-Achsen-Beschleunigungssensoren

Der Algorithmus zur Erkennung der Schrittzahl eines Schrittzählers, der einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor verwendet, umfasst die folgenden Berechnungsbeispiele. Für die Erkennung der Schrittzahl wird nur der dreiachsige zusammengesetzte Wert verwendet, denn wenn die X-, Y- und Z-Achse auf ihre jeweiligen Werte bezogen werden, würde dies davon abhängen, in welche Richtung der Sensor gerichtet ist.

Der erste Schritt besteht darin, die dreiachsigen zusammengesetzten Werte für das Gehen und die XYZ-Achsenwerte zu berechnen. Wenn der Sensor entweder vorwärts, rückwärts, links, rechts oder diagonal bewegt wird, wird der 3-Achsen-Verbundwert während der anfänglichen Bewegung ein Wert außerhalb von 1G sein.

Der Zeitpunkt, zu dem der 3-Achsen-Kompositwert von 1G abweicht, wird dann als Anzahl der zurückgelegten Schritte erkannt und verarbeitet. Obwohl die Art des Gehens von Person zu Person unterschiedlich ist, ist der dreiachsige zusammengesetzte Wert in der Regel niedriger als 1G und dann höher als 1G. Durch Zählen des Zyklus kann die Anzahl der Schritte sowohl beim langsamen Gehen als auch beim Laufen erkannt werden.