Gyroskope für den Industrieeinsatz

Invensense_GyroAroundWorld_01_sml.gifDurch die Miniaturisierung klobiger Sensoren wie Gyroskope und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden, angefangen von der Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen "Verwackler" bei digitalen Fotoapparaten und Camcordern.

Inzwischen dringen die neuen Bauelemente auch in den Bereich robuster Industrieanwendungen vor und erlauben kostengünstig und platzsparend die präzise Erfassung und Auswertung jeglicher Bewegung im Raum, beispielsweise zur Verbesserung der Zielgenauigkeit von Roboterarmen oder gar zur autonomen Stabilisierung unbemannter Flugobjekte.

Motion Processing Unit MPU-3300

XAxisMEMSGyro_01_0.jpgInvensense hat vor Kurzem mit der Vorstellung des MPU-3300 seine Technologie für industrielle Anwendungen nutzbar gemacht. Das 3-Achsen-Gyroskops MPU-3300 integriert eine vollständige Drehratenlösung in einem Gehäuse von 4x4x0.9mm als Micro Electro Mechanical System: Mehrere Lamellen, nur verbunden durch dünne Stege an ihren Längsseiten, werden über elektrostatische Anregung zu ihrer mechanischen Resonanz in Vibration versetzt. Bei einer Drehung um die Querachse wird dieses Konstrukt aufgrund der entstehenden Corioliskraft ein wenig ausgelenkt und verändert damit die Kapazität eines verbunden Plattenkondensators, die sich in der anschließenden Metrologie auswerten lässt.

NasiriPrinciple_01_0.jpgZwei solcher um 90° gedrehten Konstrukte erfassen Drehungen in X- und Y-Richtung, für die Z-Achse Hochachse wird eine geänderte MEMS-Struktur verwendet, bei der die Lamellen auf einer anderen Raumrichtung schwingen. Ein MEMS-Sensor besteht daher aus der eigentlichen Mikrostruktur sowie der notwendigen Ansteuerung und Messwerterfassung, die mit einem "klassischen" CMOS-Prozess hergestellt wird.

 

Hart im Nehmen

Mit 2 programmierbaren Messbereichen von 225 und 450 dps (degrees per second), sehr geringer Drift, MPU3300_BlockDiagram_01_0.pngeinem Temperaturbereich von -40°C bs +105°C und einer Schockfestigkeit von 10.000 g ist es besonders für raue Industrieumgebungen geeignet.

Die Genauigkeit der MPU-3300-Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich beträgt ±2% und die Genauigkeit des Zero-Rate-Outputs über die Temperatur ±0.14 dps/°C (Winkelgrad je Sekunde und Grad Celsius). Mit lediglich 0.005 dps/√Hz bietet der MPU-3300 ein industrieweit führendes Rauschverhalten und ist damit deutlich besser als Industriegyroskope des Wettbewerbs mit Werten im Bereich von 0.01 bis 0.03 dps/√Hz.

Darüber hinaus integriert der MPU-3300 hoch auflösende 16-Bit Analog-Digital-Converter (ADCs), programmierbare digitale Filter, SPI- und I2C-Schnittstellen und weist einen Stromverbrauch von lediglich 3.6 mA auf.

Anwendungen

Mit einer Bias-Stabilität von 15 Winkelgrad/Stunde auf jeder der 3 Achsen eignet sich der MPU-3300 hervorragend für eine ganze Reihe von industriellen Anwendungen wie etwa Attitude Heading Reference Systems (AHRS, Lage- und Richtungserfassung), für die eine extrem stabile Performance der Sensoren zum präzisen Tracking der Bewegungen notwendig ist. AHRS-Geräte werden in Flugzeugen, Robotern und anderen Systemen benötigt, bei denen die räumliche Orientierung gemessen werden muss. Die hohe Stabilität vereinfacht dabei die Nullpunktkalibrierung ganz erheblich.