Kenngrößen in der Sensorik

Die mechanische Leistungsfähigkeit von Drehratensensoren verbessern

14.04.11 | Redakteur: Holger Heller

ADXRS64x von Analog Devices: Der Drehratensensor auf MEMS-Basis lässt sich leichter kompensieren
ADXRS64x von Analog Devices: Der Drehratensensor auf MEMS-Basis lässt sich leichter kompensieren

Während die Nullpunktstabilität lange als wichtigste Kenngröße für Drehratensensoren galt, verursacht die Vibrationsempfindlichkeit oft ernsthaftere Probleme. Die Auswahl eines Drehratensensors auf Basis seiner Fähigkeiten zur Vibrationsunterdrückung ist für viele Anwendungen entscheidend. Weitere Parameter lassen sich leicht über Kalibrierung oder Mittelwertbildung mehrerer Sensoren verbessern.

Im Datenblatt eines leistungsstarken Drehratensensors suchen die meisten Systementwickler zuerst die Spezifikation der Nullpunktstabilität. Schließlich beschreibt diese Spezifikation die Auflösungsgrenze eines Drehratensensors und ist somit der beste Indikator für die Leistungsfähigkeit. Allerdings zeigen Drehratensensoren in der realen Welt Fehler, welche mehrere Ursachen haben und Anwender hindern, die im Datenblatt spezifizierte hohe Nullpunktstabilität optimal zu nutzen.

In der Tat ist der einzige Ort, an dem diese hohe Leistungsfähigkeit erzielt wird, das Labor. Die klassische Vorgehensweise besteht darin, das System um Kompensationsmaßnahmen zu erweitern, um den Einfluss dieser Fehlerquellen zu minimieren. Der folgende Beitrag stellt mehrere dieser Techniken und ihre Grenzen vor. Zum Schluss wird ein alternatives Paradigma diskutiert – die Auswahl eines Drehratensensors nach seiner mechanischen Leistungsfähigkeit und wie man, falls erforderlich, die Nullpunktstabilität verbessert.

Drehratensensoren und umweltbedingte Fehler

Alle besonders preiswerten und zu moderaten Preisen angebotenen MEMS-Drehratensensoren zeigen initiale Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehler sowie Änderungen über die Temperatur. Deshalb ist es bei Anwendern üblich, eine Temperaturkompensation dieser Fehler vorzunehmen. Im Prinzip enthalten Drehratensensoren integrierte Temperatursensoren nur für diesen Zweck.

Die absolute Genauigkeit des Temperatursensors ist unwichtig für diese Aufgabe – nur die Wiederholbarkeit und die enge Kopplung des Temperatursensors an die tatsächliche Temperatur des Drehratensensors zählt. Die Temperatursensoren moderner Drehratensensoren erfüllen typischerweise diese Anforderungen.

Es gibt viele Techniken, welche zur Temperaturkompensation verwendet werden können (Kurvenanpassung durch Polynomfunktionen, stückweise lineare Approximation etc.). Die verwendete Technik ist von geringer Bedeutung, so lange eine adäquate Zahl von Temperaturpunkten aufgenommen wird und die Kalibrierung sorgfältig erfolgt.

Ergänzendes zum Thema
 
Berechnung vibrationsbedingter Fehler

Temperaturhysterese als begrenzender Faktor

Zum Beispiel ist eine nicht ausreichende Haltezeit bei jeder Temperatur eine übliche Fehlerquelle. Egal welche Technik verwendet oder wie sorgfältig gearbeitet wird, der begrenzende Faktor ist die Temperaturhysterese. Dies ist die Differenz am Ausgang bei einer spezifischen Temperatur, wenn diese Temperatur über Kühlung gegenüber Aufheizung erreicht wird.

Bild 1: Ein unkompensierter ADXRS453-Nullpunktausgang, während Temperaturen von -45 bis 130°C durchlaufen werden
Bild 1: Ein unkompensierter ADXRS453-Nullpunktausgang, während Temperaturen von -45 bis 130°C durchlaufen werden

Bild 1 zeigt die Temperaturhysterese eines ADXRS453 Drehratensensors. Nullpunktmessungen eines unkompensierten Drehratensensors wurden aufgezeichnet, während die Temperatur von +25 auf +130°C und dann auf -45°C und zurück auf +25°C verändert wurde. Man beobachtet eine kleine Differenz am Nullpunktausgang bei +25°C zwischen dem Heizzyklus und dem Kühlungszyklus (in diesem Fall etwa 0,2°/s) – dies ist die Temperaturhysterese.

Dieser Fehler kann nicht kompensiert werden, da er davon abhängt, ob der Drehratensensor eingeschaltet ist oder nicht. Darüber hinaus hängt die Höhe der Hysterese proportional von der Größe des Temperaturbereichs ab. Dies bedeutet, dass die Hysterese höher wird, wenn das Bauteil einem größeren Temperaturbereich ausgesetzt ist.

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