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Drehratensensor
Sensoren
mit hoher Genauigkeit zur Erfassung der Drehrate um eine Achse.
Durch einfache und schnelle Handhabung ideal für die Messung der Drehrate
um eine Achse (z.B. Gierrate) geeignet. |
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Inertiale Messysteme der Baureihe iDIS
Die Inertialmesssysteme der
Familie iDIS-FC/FP/FV werden seit vielen Jahren im Automobil- und
Vermessungsbereich zur dreidimensionalen Erfassung aller kinematischen Messgrößen
wie Beschleunigung, Drehrate, Winkel, Geschwindigkeit oder Position von
Fahrzeugen eingesetzt.
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Neueste Generation iDIS-FMS
Als neues Gerät in diesem Bereich ist
nun mit dem Typ iDIS-FMS ein Messsystem verfügbar, das seine Vorgänger
in Genauigkeit noch übertrifft und gleichzeitig kleiner baut und
erheblich leistungsfähigere Schnittstellen bietet. |
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| Grundlagen |
Inertiale Messsysteme ermöglichen das
Erfassen von räumlichen Bewegungsvorgängen, z.B. für
Fahrdynamikuntersuchungen oder zur Navigation. Je nach Anforderung
bestehen inertiale Messsysteme aus bis zu drei Drehratensensoren (Kreisel,
Gyroskop) und Beschleunigungsaufnehmern.
Um das räumliche Bewegungsverhalten von
Objekten in allen 3 Richtungen zu messen, benötigt man ein System mit
jeweils 3 rechtwinklig zueinander angeordneten Drehratensensoren und
Beschleunigungsaufnehmern.
Man unterscheidet zwischen Systemen in
Plattformtechnik (sog. kardanisch gelagerte Plattformsysteme) und solchen
in Strapdown-Technik.
Die Vorteile der in der Strapdown-Technik
realisierten Systeme sind die Robustheit und die Wartungsfreundlichkeit,
da weder mechanisch empfindliche Rahmenlagerungen noch rotierende
Kreiselmassen vorhanden sind. |
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| Piezovibrierende
Drehratenaufnehmer |
Sie bestehen aus einem monokristallinen
piezoelektrischen Quarz, der unter Ausnutzung des Coriolis-Effektes bei
einer Rotation um die Längsachse ein Signal erzeugt, welches durch
Verstärkung und Demodulierung ein der Drehrate proportionales
Gleichspannungssignal ergibt.
Vorteile: geringe Baugröße und die
vergleichsweise niedrigen Kosten
Nachteile: hohe Drift, starke und nur
bedingt modellierbare Temperaturabhängigkeit von
Skalenfaktor und Offset und großes Rauschen
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Faseroptische
Drehratensensoren |
Die faseroptischen Gyroskope (FOG) bestehen aus einer Glasfaserspule, bei der die Differenz der
Laufzeiten zweier Halbleiterlaser-Lichtwellen, die die Glasfaser in
entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, gemessen wird. Gemäß dem Sagnac-Effekt
ist die bei einer Drehbewegung um die Achse der Glasfaserspule auftretende
Phasendifferenz proportional zur Drehrate und wird als bipolare
Analogspannung (beim Open-loop-FOG) oder als Digitalwert (beim
Closed-loop-FOG) ausgegeben.
Man unterscheidet zwei Bauarten von FOG’s, nämlich
Open-loop-Faserkreisel und Closed-loop-Faserkreisel, wobei die
Open-loop-Faserkreisel eine Low-cost-Version mit größerer Drift und
Nichtlinearität und geringerer Auflösung darstellen.
Vorteile der Faserkreisel
 | extrem
kurze Reaktionszeit durch hohe Bandbreite |
| hohe
Auflösung und Messgenauigkeit |
| unübertroffene
Robustheit, da keine mechanisch bewegten Komponenten |
| relativ
kompakte Bauform bei geringem Gewicht |
| keine
beschleunigungs- oder vibrationsabhängigen Driften |
| einfache
Montagemöglichkeit |
| hohe
Lebensdauer |
| keine
Hochlaufzeiten bzw. Verzögerungen durch Herunterfahren vor dem
Abschalten |
| wartungsfrei |
Faserkreisel werden heute in vielen
Bereichen der Kfz-Entwicklung, der Luft- und Raumfahrt, der Stabilisierung
und in Sonderanwendungen eingesetzt. Sie verdrängen dabei im Bereich der
Messtechnik aufgrund ihrer Eigenschaften die klassischen mechanischen
Kreisel und werden in der Leistung nur durch die Laserkreisel
übertroffen. |
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| Mechanische
Kreisel |
Diese (Dynamically Tuned Gyro, DTG) bestehen
aus einer rotierenden Masse, die in einem Rahmen reibungsarm
dynamisch-abgestimmt (quasi-kardanisch) gelagert ist. Die rotierende Masse
hat das Bestreben, die Lage ihrer Rotationsachse im Raum beizubehalten.
Wird durch eine Drehung des zu vermessenden Objektes der Rahmen bewegt,
übt die rotierende Masse ein Moment auf die Lager aus. Dieses Moment ist
proportional der Drehrate.
Vorteile: verglichen mit den faseroptischen
Drehratensensoren bieten mechanische
Kreisel heute in normalen Anwendungen keine Vorteile mehr.
Nachteile: Empfindlichkeit gegen Schock,
Einfluss von Erdschwere und Beschleunigung
auf die Drift, schlechte Handhabbarkeit, geringe Signalbandbreite,
Zerstörung oder Beschädigung bei Überlast (zu hohe Drehrate) oder
Ausfall
der Fesselung. |
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| Ringlaser-Kreisel |
Der dem Ringlaser zugrunde
liegende physikalische Effekt ist der gleiche wie beim Faserkreisel.
Allerdings befindet sich das Lasermedium nicht außerhalb des optischen
Pfades (Laserdiode beim Faserkreisel) sondern innerhalb (miniaturisierter
Helium-Neon-Laser). Das Ausgangssignal des Laserkreisels ist
winkelproportional, so dass der Drehrate eine Frequenz entspricht, die
viel präziser bestimmt werden kann als eine Phasenverschiebung beim
Faserkreisel.
Vorteile: sehr hohe Genauigkeit bzgl. Drift
und Skalenfaktor / Nichtlinearität, ansonsten
wie faseroptische Drehratenaufnehmer
Nachteile: keine |
