Beschleunigungsmesser und Gyros werden in der Unterhaltungselektronik immer beliebter, vielleicht ist es also an der Zeit, dass Sie sie in Ihr Projekt einbauen! Wenn du durch die SparkFun-Sensorkategorie blätterst, entdeckst du eine riesige Liste dieser Sensoren, die perfekt für dein nächstes Projekt sein könnten, wenn du nur wüsstest, was sie tun und welcher am besten zu deinem Projekt passt. Das Ziel dieses Kaufratgebers ist es, dich mit den Datenblättern dieser Sensoren vertraut zu machen und dir dabei zu helfen, den für deine Bedürfnisse am besten geeigneten Sensor auszuwählen.

Beschleunigungssensoren

Was misst ein Beschleunigungssensor? Nun, Beschleunigung. Sie wissen schon … wie schnell sich etwas beschleunigt oder verlangsamt. Die Beschleunigung wird entweder in Metern pro Sekunde zum Quadrat (m/s2) oder in der G-Kraft (g) angezeigt, die etwa 9,8m/s2 beträgt (der genaue Wert hängt von der Höhe und der Masse des Planeten ab, auf dem man sich befindet).

Beschleunigungsmesser werden verwendet, um sowohl statische (z.B. Schwerkraft) als auch dynamische (z.B. plötzliche Starts/Stops) Beschleunigungen zu messen. Eine der häufigsten Anwendungen von Beschleunigungsmessern ist die Erfassung von Neigungen. Da sie von der Erdbeschleunigung beeinflusst werden, kann ein Beschleunigungsmesser Auskunft darüber geben, wie das Gerät in Bezug auf die Erdoberfläche ausgerichtet ist. So verfügt beispielsweise das iPhone von Apple über einen Beschleunigungsmesser, mit dem sich feststellen lässt, ob es im Hoch- oder Querformat gehalten wird. Ein Beschleunigungsmesser kann auch verwendet werden, um Bewegungen zu erfassen. So kann ein Beschleunigungsmesser in Nintendos WiiMote verwendet werden, um die Vorhand und Rückhand eines Tennisschlägers oder das Rollen einer Bowlingkugel zu simulieren. Schließlich kann ein Beschleunigungsmesser auch verwendet werden, um zu erkennen, ob sich ein Gerät im freien Fall befindet. Diese Funktion ist in einigen Festplatten eingebaut: Wenn ein Fall erkannt wird, wird die Festplatte schnell abgeschaltet, um Datenverluste zu vermeiden.

Nachdem Sie nun wissen, was sie tun, lassen Sie uns überlegen, nach welchen Merkmalen Sie bei der Auswahl Ihres Beschleunigungsmessers suchen sollten:

• Bereich – Die obere und untere Grenze dessen, was der Beschleunigungsmesser messen kann, wird auch als sein Bereich bezeichnet. In den meisten Fällen bedeutet ein kleinerer Messbereich eine empfindlichere Ausgabe, so dass ein Beschleunigungsaufnehmer mit einem kleinen Messbereich präzisere Werte liefern kann.
  Wählen Sie einen Messbereich, der für Ihr Projekt am besten geeignet ist. Wenn Ihr Projekt nur Beschleunigungen zwischen +2g und -2g ausgesetzt ist, wird ein Beschleunigungsaufnehmer mit einem Messbereich von ±250g nicht viel, wenn überhaupt, Präzision liefern.
  Wir haben ein gutes Sortiment an Beschleunigungsaufnehmern mit Maximalbereichen von ±1g bis ±250g. Die meisten unserer Beschleunigungsmesser sind auf einen festen Maximal-/Minimalbereich eingestellt, einige der ausgefalleneren Beschleunigungsmesser verfügen jedoch über wählbare Bereiche.
• Schnittstelle – Dies ist eine weitere der wichtigeren Spezifikationen. Beschleunigungsmesser haben entweder eine analoge, pulsweitenmodulierte (PWM) oder digitale Schnittstelle.
  • Beschleunigungsmesser mit einem analogen Ausgang erzeugen eine Spannung, die direkt proportional zur gemessenen Beschleunigung ist. Bei 0 g liegt der Analogausgang in der Regel etwa in der Mitte der gelieferten Spannung (z. B. 1,65 V bei einem 3,3-V-Sensor). Im Allgemeinen ist diese Schnittstelle am einfachsten zu handhaben, da Analog-Digital-Wandler (ADCs) in den meisten Mikrocontrollern implementiert sind.
  • Beschleunigungssensoren mit einer PWM-Schnittstelle erzeugen eine Rechteckwelle mit einer festen Frequenz, aber das Tastverhältnis des Impulses variiert mit der gemessenen Beschleunigung. Diese sind ziemlich selten; wir haben nur einen in unserem Katalog.
  • Digitale Beschleunigungsmesser haben normalerweise eine serielle Schnittstelle, sei es SPI oder I²C. Je nach Ihrer Erfahrung sind diese möglicherweise am schwierigsten mit Ihrem Mikrocontroller zu integrieren. Dennoch sind digitale Beschleunigungsmesser beliebt, weil sie in der Regel mehr Funktionen haben und weniger störanfällig sind als ihre analogen Gegenstücke.
• Anzahl der gemessenen Achsen – Diese Frage ist sehr einfach: Wie viele der drei möglichen Achsen (x, y und z) kann der Beschleunigungsmesser messen? Dreiachsige Beschleunigungsmesser sind in der Regel die beste Wahl; sie sind am weitesten verbreitet und nicht teurer als gleich empfindliche ein- oder zweiachsige Beschleunigungsmesser.
• Stromverbrauch – Wenn Ihr Projekt batteriebetrieben ist, sollten Sie überlegen, wie viel Strom der Beschleunigungsmesser verbrauchen wird. Der erforderliche Stromverbrauch liegt in der Regel im Bereich von 100 µA. Einige Sensoren verfügen auch über eine Sleep-Funktion, um Energie zu sparen, wenn der Beschleunigungssensor nicht benötigt wird.
• Zusatzfunktionen – Viele neuere Beschleunigungssensoren verfügen über ein paar raffinierte Funktionen, die über die reine Erzeugung von Beschleunigungsdaten hinausgehen. Diese neueren Beschleunigungssensoren können Funktionen wie wählbare Messbereiche, Ruhezustandskontrolle, 0-g-Erkennung und Tap-Sensing enthalten.

Gyros

Gyroskope messen die Winkelgeschwindigkeit, wie schnell sich etwas um eine Achse dreht. Wenn man versucht, die Ausrichtung eines sich bewegenden Objekts zu überwachen, liefert ein Beschleunigungsmesser möglicherweise nicht genügend Informationen, um genau zu wissen, wie es ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu Beschleunigungsmessern werden Kreisel nicht von der Schwerkraft beeinflusst, so dass sie sich hervorragend gegenseitig ergänzen. Die Winkelgeschwindigkeit wird in der Regel in Einheiten von Umdrehungen pro Minute (RPM) oder Grad pro Sekunde (°/s) angegeben. Die drei Rotationsachsen werden entweder als x, y und z oder als Roll, Nick und Gier bezeichnet.

In der Vergangenheit wurden Kreisel für die Weltraumnavigation, die Raketensteuerung, die Unterwasserführung und die Flugführung eingesetzt. Jetzt werden sie zusammen mit Beschleunigungsmessern für Anwendungen wie Bewegungserfassung und Fahrzeugnavigation eingesetzt.
Vieles von dem, was bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers berücksichtigt wurde, gilt auch für die Auswahl des perfekten Kreisels:

• Reichweite – Stellen Sie sicher, dass die maximale Winkelgeschwindigkeit, die Sie messen wollen, die maximale Reichweite des Kreisels nicht überschreitet. Aber auch, um die bestmögliche Empfindlichkeit zu erhalten, stellen Sie sicher, dass die Reichweite Ihres Kreisels nicht viel größer ist als das, was Sie erwarten.
• Schnittstelle – Es gibt eigentlich nicht viel Vielfalt in diesem Abschnitt, 95% der Kreisel, die wir haben, verfügen über einen *analoge *Ausgang. Einige wenige haben eine digitale Schnittstelle – entweder SPI oder I2C.
• Anzahl der gemessenen Achsen – Im Vergleich zu Beschleunigungssensoren sind Gyros ein wenig hinter der Kurve. Erst seit kurzem kommen preiswerte 3-Achsen-Kreisel auf den Markt. Die meisten unserer Kreisel sind 1- oder 2-Achsen-Kreisel. Bei der Auswahl müssen Sie darauf achten, welche der drei Achsen der Kreisel misst; einige Zwei-Achsen-Kreisel messen beispielsweise Nick- und Rollbewegungen, während andere Nick- und Gierbewegungen messen.
• Stromverbrauch – Wenn Ihr Projekt batteriebetrieben ist, sollten Sie überlegen, wie viel Strom der Kreisel verbrauchen wird. Der erforderliche Stromverbrauch liegt normalerweise im Bereich von 100 µA. Einige Sensoren verfügen auch über eine Sleep-Funktion, um Energie zu sparen, wenn der Kreisel nicht benötigt wird.
• Bonusfunktionen – In diesem Abschnitt gibt es nicht viel, was Sie umhauen wird. Viele Gyros verfügen über einen Temperaturausgang, der sehr nützlich ist, wenn man die Drift kompensieren will.

IMUs

Gyroskope und Beschleunigungsmesser sind großartig, aber allein geben sie nicht genügend Informationen, um Dinge wie Orientierung, Position und Geschwindigkeit bequem berechnen zu können. Um diese und andere Variablen zu messen, kombinieren viele Menschen die beiden Sensoren zu einer Inertialmesseinheit (IMU), die zwei bis sechs Freiheitsgrade (DOF) bietet. IMUs werden häufig in Geräten verwendet, für die eine genaue Positionsbestimmung erforderlich ist, z. B. in Roboterarmen, Lenkflugkörpern und Werkzeugen für die Untersuchung von Körperbewegungen.

Die IMUs von SparkFun lassen sich in zwei Klassen unterteilen: einfache IMU-Kombiboards, die lediglich einen Beschleunigungsmesser und einen Kreisel auf einer einzigen Platine montieren, und komplexere Einheiten, die einen Mikrocontroller mit den Sensoren verbinden, um eine serielle Ausgabe zu erzeugen. Wenn Sie die vorherigen Abschnitte überflogen haben, sollten Sie wissen, nach welchen Spezifikationen Sie bei IMUs suchen müssen: die Anzahl der Achsen (sowohl für den Beschleunigungsmesser als auch für den Kreisel), der Messbereich der Sensoren und die Schnittstelle.

Begriffserklärungen

Bereich: Der Bereich der Werte, die ein Gerät messen kann, ist ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung, welches Gerät für Ihr Projekt geeignet ist. Ein 24g-Beschleunigungsmesser wird Ihnen bei der Verfolgung von Körperbewegungen nicht viel nützen, es sei denn, Sie wollen mit der größten Schleuder der Welt ins All geschleudert werden. Wenn Ihr Beschleunigungsmesser bei 1 g endet, werden Sie auch nicht viele nützliche Daten erhalten, z. B. bei einem Raketenstart. Die Reichweite eines Beschleunigungsmessers wird in g-Kraft oder einem Vielfachen der Erdbeschleunigung gemessen. Die Reichweite eines Kreisels, der die Rotationsbeschleunigung misst, wird in Grad der Rotation pro Sekunde angegeben.

Schnittstelle: Die Methode, mit der Daten zwischen einem Controller und einem Gerät gesendet und empfangen werden, wird als Schnittstelle bezeichnet. Es gibt mehrere Standards, und jeder hat seine Vor- und Nachteile. Analoge Signale sind leicht zu lesen und können von den meisten Mikrocontrollern mit sehr wenig Code gemessen werden. Die serielle Kommunikation bezieht sich in diesem Fall auf UART und erfordert etwas mehr Verarbeitungsaufwand, ist aber in der Lage, mehr Informationen zu übertragen als analoge Signale. Seriell oder I2C sind in Situationen üblich, in denen mehrere Achsen an eine Steuerung ausgelesen werden müssen. I2C ist eine serielle Zweidrahtschnittstelle, die es mehreren Geräten ermöglicht, sich einen Bus zu teilen und miteinander zu kommunizieren, und die auch bei Mikrocontrollern sehr verbreitet ist.

Achsen: Dies bezieht sich auf die Anzahl der Richtungen, in denen die Beschleunigung gemessen werden kann. Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung entlang der angegebenen Achsen, während Kreisel die Beschleunigung um die Achsen messen.

Strombedarf: Dies ist die Menge an Strom, die das Gerät während des Betriebs typischerweise verbraucht; Ihr System sollte in der Lage sein, mindestens diese Menge an Strom zu liefern und noch mehr, um unregelmäßiges Verhalten oder Brown-out-Zustände zu vermeiden. Viele Geräte verfügen auch über einen Energiesparmodus, in dem sie deutlich weniger Strom verbrauchen. Zu Ihrer Information haben wir auch die Nennspannung des Geräts angegeben.

Bonusfunktionen: Jeder Gerätehersteller hat seine eigenen Vorstellungen davon, welche „Extras“ ein Gyroskop oder ein Beschleunigungsmesser haben sollte. In dieser Spalte listen wir die zusätzlichen Funktionen auf, die jedes Gerät von den anderen abheben.