Gegen Vibrationen gefeit 1

Neigungssensor für mobile Anwendungen – Speziell für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeugen hat Sensor-Technik Wiedemann den Gyroskopsensor NGS1 entwickelt, der zusätzlich noch über einen integrierten Neigungssensor verfügt.

Herzstück des NGS1 sind MEMS-Sensoren (Micro Electrical Mechanical System), die sowohl für die Messung der Beschleunigung als auch der Drehrate eingesetzt werden. Diese MEMS-Sensoren haben eine Reihe von Vorteilen: Es kann durch die Integration der elektromechanischen Elemente auf kleinsten Raum eine hohe Funktionsdichte erreicht werden.

Bedingt durch die geringen bewegten Massen und den damit nahezu zu vernachlässigenden Verschleiß ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit. Die geringe Masse ermöglicht zudem eine hohe Dynamik. Nicht zuletzt sind die Sensorelemente in großen Stückzahlen kostengünstig bei den einschlägigen Herstellern verfügbar. Zur Messung der Neigung werden Beschleunigungssensoren eingesetzt, um die Komponente der Erdbeschleunigung zu messen. Basis dieser Beschleunigungssensoren bildet ein Balken, welcher an zwei Federn aufgehängt ist und als träge Masse fungiert. Die Bewegung dieser trägen Masse wird dann kapazitiv gemessen. Aus den gemessenen Anteilen der Erdbeschleunigung kann nun der Neigungswinkel berechnet werden.

Der Drehratensensor arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip. Hier wird allerdings nicht die Beschleunigung selbst gemessen, sondern die senkrecht zur Bewegungsrichtung und Rotationsachse wirkende Corioliskraft.
Die Kraftwirkung der Corioliskraft auf ein schwingendes Feder-Masse-System kann relativ einfach berechnet werden. Technisch wird ein solcher Sensor wie folgt realisiert: Die Basis bildet ein ähnlicher Sensor wie der Beschleunigungssensor, jedoch wird dieser zweiachsig aufgebaut. Wird dieses System jetzt in Resonanz versetzt, so erzeugt eine auf Grund einer Drehbewegung auf dieses System wirkende Corioliskraft eine messbare Änderung der Kapazitäten, welche dann wieder ausgewertet werden kann.

Was in der Theorie relativ einfach scheint, bringt in der Praxis jedoch die eine oder andere Problematik mit sich. So sind die Sensorelemente in Bezug auf Vibration und Erschütterung sehr empfindlich, was einem stabilen Signal nicht zuträglich ist. Zudem kann der Temperatureinfluss nicht über eine lineare oder quadratische Abhängigkeit kompensiert werden, sodass eine relative aufwendige Temperaturkompensation notwendig ist. Ein weiterer Punkt ist die hohe Genauigkeitsanforderung bei der Montage der einzelnen Sensorelemente, da eine Montageungenauigkeiten das Messergebnis in nicht unerheblichem Umfang beeinflusst.

Um den Gyroskop-/Neigungssensor NGS1 für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen und Nutzfahrzeugen tauglich zu machen, sind noch einige zusätzliche Rahmenbedingungen zu beachten. So dürfen zum Beispiel starke Vibrationen, wie sie bei solchen Applikationen auftreten können, das Messergebnis nur minimal beeinflussen. Zudem sind die Anforderungen bezüglich der EMV- und Vibrations-/Schockfestigkeit sehr hoch.
Durch den kompletten Verguss des Sensors ist ebenfalls sichergestellt, dass Feuchtigkeit sowie mechanische Belastungen die Funktionsfähigkeit des Sensors in aller Regel nicht beeinflussen. Der Standard-Stecker ist verriegelbar (Einhand-Bedienung) und ebenfalls für automotive Applikationen entwickelt. Alternativ kann der NGS1 mit einem M12-Stecker (durchschleifbar) geliefert werden (nur digitaler Ausgang).

Die Montage erfolgt mittels zweier Schrauben, mit denen der Sensor an die entsprechend vorbereitete Fläche montiert wird. Um Montagetoleranzen auszugleichen, kann das Offset der Sensorsignale über das integrierte CAN-Interface eingestellt werden. Die Signale können dann entweder über das standardmäßige CAN-Interface (CANopen-Protokoll) oder die optionalen Analogausgänge (ein Analogkanal pro Achse) ausgelesen werden.

Der NGS1 wird unter anderem in Drehleitern der Firma Iveco Magirus Brandschutz zur Dämpfung der Leiterschwingung eingesetzt. Dabei wird der Sensor an der Spitze der Drehleiter montiert, um dort die Drehraten in allen drei Achsen aufzunehmen. Die so gewonnenen Informationen werden von der Steuerung eingelesen, sodass über die Hydraulik die Schwingung der Drehleiter gedämpft werden kann. Dadurch kann die Drehleiter spürbar stabilisiert werden, was eine Vielzahl von Vorteilen im Einsatzfall bietet.

Ein Sensor für viele Applikationen
Weitere Einsatzgebiete für den NGS1 als Gyroskopsensor sind beispielsweise Mobilkrane (zur Stabilisierung des Auslegers) oder Windkraftanlagen (zur Messung der Turmschwingung). Als Neigungssensor kann der NGS1 in Baumaschinen (zur Nivellierung bei der Abstützung oder Messung der Fahrzeugneigung) eingesetzt werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Nivellierung von Tunnelvortriebs- oder Bodenbohrgeräten, um die Position kontinuierlich messen zu können. Bei Hub-arbeitsbühnen kann der Neigungssensor zur Ausrichtung der Plattform selbst eingesetzt werden. Dank der Robustheit des Sensors kommen auch Applikationen in Betracht, die bislang nicht oder nur schlecht abgedeckt werden konnten.

Technik im Detail
Digitaler Signalprozessor
Beim NGS1 wird zur Signalverarbeitung ein DSP eingesetzt, um die entsprechenden Berechnungen durchzuführen. Die Signale der Gyroskopsensoren sowie der Beschleunigungssensoren werden einen A/D-Wandler mit einer effektiven Auflösung von 19 bit (noice free) zur weiteren Verarbeitung umgesetzt. Bedingt durch weitere Berechnungen und Filter kann für den Gyroskopsensor eine maximale Signalfrequenz von 40 Hz, für den Neigungssensor von 15 Hz erreicht werden. Die Messwerte der Sensoren müssen dann noch über zum Beispiel über Temperatur oder Vibration kompensiert werden.