Die mechanische Leistungsfähigkeit von Drehratensensoren verbessern

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Analog Devices

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Falls die Anwendung eine Kompensation des Nullpunktes beim Einschalten oder im Betrieb erlaubt (wenn keine Drehbewegung vorliegt), kann dieser Fehler vernachlässigt werden. Anderenfalls kann die Temperaturhysterese ein begrenzender Faktor für die Nullpunktstabilität sein, da man die Bedingungen beim Versand oder beim Lagern nicht kontrollieren kann.

Drehratensensoren und Vibrationsunterdrückung

Idealerweise misst ein Drehratensensor ausschließlich die Drehrate. In der Praxis weisen alle Drehratensensoren eine gewisse Querempfindlichkeit gegenüber Beschleunigung auf. Dies ist auf Asymmetrien ihres mechanischen Aufbaus und/oder Fertigungsungenauigkeiten zurückzuführen. Die Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigung zeigt sich auf mehrere Arten.

Ihre Höhe richtet sich nach dem jeweiligen Design. Die bedeutendsten sind normalerweise Empfindlichkeiten auf Linearbeschleunigungen (oder g-Empfindlichkeit) und Vibrationen (oder g²-Empfindlichkeit). Da die meisten Anwendungen mit Drehratensensoren sich um oder durch das Gravitationsfeld der Erde (von 1g) bewegen, repräsentiert die Empfindlichkeit auf Beschleunigung oft die größte Fehlerquelle.

Sehr preiswerte Drehratensensoren sind normalerweise mit extrem einfachen und kompakten mechanischen Systemen aufgebaut, welche nicht für eine Vibrationsunterdrückung, sondern hinsichtlich Kosten optimiert sind. Derartige Modelle können sehr schwingungsanfällig sein. Über 1000°/h/g (oder 0,3°/s/g) g-Empfindlichkeit oder mehr ist nicht unbekannt – mehr als 10-mal schlechter als man von einem leistungsfähigen Drehratensensor erwarten würde!

Kleine Drehbewegungen und große Fehler

Es ist wenig sinnvoll, von solchen Drehratensensoren eine gute Nullpunktstabilität zu verlangen, da kleine Drehbewegungen der Sensoren im Gravitationsfeld der Erde große Fehler aufgrund von g- und g²-Empfindlichkeit produzieren. Normalerweise ist die Vibrationsempfindlichkeit bei dieser Art von Drehratensensoren nicht spezifiziert. Sie wird als sehr groß angenommen.

MEMS-Drehratensensoren mit höherer Leistungsfähigkeit zeigen an dieser Stelle bessere Eigenschaften. Tabelle 1 zeigt die Datenblattspezifikationen für mehrere leistungsstarke MEMS-Drehratensensoren. Die meisten Drehratensensoren in dieser Klasse zeigen eine g-Empfindlichkeit von 360°/h/g (oder 0,1°/s/g) und einige unter 60°/h/g. Obwohl wesentlich besser als sehr preiswerte Drehratensensoren, überschreiten selbst die besten von diesen Sensoren ihre spezifizierte Nullpunktstabilität, falls sie Beschleunigungsänderungen von nur 150 mg (das Äquivalent von 8,6° Neigung) unterliegen.

Einige Entwickler versuchen, die g-Empfindlichkeit zu kompensieren, indem sie einen externen Beschleunigungssensor einsetzen. Dies wird meist in Inertialmesseinheiten verfolgt, da hier der erforderliche Beschleunigungssensor bereits vorhanden ist. In einigen Fällen kann dies tatsächlich die Leistungsfähigkeit steigern. Allerdings kann die Kompensierung der g-Empfindlichkeit aus zahlreichen Gründen nicht erfolgreich sein. Die meisten Drehratensensoren neigen dazu, eine g-Empfindlichkeit aufzuweisen, welche sich abhängig von der Vibrationsfrequenz ändert.

Bild 2 zeigt den Verlauf eines Drehratensensors CRG20-01 von Silicon Sensing in Folge von Vibration. Zu beachten ist, dass, während sich die g-Empfindlichkeit des Drehratensensors im spezifizierten Bereich befindet (mit Ausnahme einiger kleiner Störungen bei bestimmten Frequenzen, die jedoch meist nicht relevant sind), sie über ein Verhältnis von 12:1 von DC bis 100Hz variiert. Somit kann eine Kalibrierung nicht durch einfache Messung der g-Empfindlichkeit bei DC erfolgen. In der Tat wäre eine Kompensation sehr komplex und würde verlangen, die Empfindlichkeit über die Frequenz zu verändern.

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