Die mechanische Leistungsfähigkeit von Drehratensensoren verbessern

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Im Gegensatz dazu zeigt Bild 3 den Verlauf des Drehratensensors ADXRS646 unter ähnlichen Bedingungen. Festzustellen ist, dass sich bei manchen Drehratensensoren die g-Empfindlichkeit leichter als bei anderen kompensieren lässt. Leider ist diese Information fast nie in Datenblättern enthalten und muss vom Anwender möglicherweise mit großem Aufwand selbst entdeckt werden.

Anpassung des Phasenverlaufs an den Drehratensensor

Eine weitere Schwierigkeit ist die Anpassung des Phasenverlaufs des kompensierenden Beschleunigungssensors an den Drehratensensor. Ist der Phasenverlauf von Drehratensensor und Beschleunigungssensor nicht optimal angepasst, können sich hochfrequente Vibrationsfehler verstärken. Dies führt zu dem Schluss, dass eine Kompensation der g-Empfindlichkeit bei den meisten Drehratensensoren nur bei niedrigen Frequenzen funktioniert.

Die Vibrationsunterdrückung bleibt oft unspezifiziert. In einigen Fällen ist dies so, weil sie sehr schlecht ist oder stark von Bauteil zu Bauteil schwankt. Manchmal ist dies auf fehlende Tests bei den Herstellern der Drehratensensoren zurückzuführen, wobei solche Tests schwierig sein können. In jedem Fall sollte die Vibrationsunterdrückung berücksichtigt werden, da sie mit einem Beschleunigungssensor nicht kompensiert werden kann. Im Gegensatz zum Verlauf des Beschleunigungssensors wird der Ausgangsfehler des Drehratensensors verstärkt.

Die gebräuchlichste Strategie zur Verbesserung der g²-Empfindlichkeit besteht darin, mechanische Maßnahmen gegen Vibrationen zu ergreifen (Bild 4). Gezeigt ist ein Panasonic Automotive-Drehratensensor mit teilweise entferntem Metallgehäuse bei dem das Sensorelement mit einem Antivibrationsgummi vom Metallgehäuse isoliert ist. Derartige Gummibauteile sind schwierig zu entwickeln, da sie keinen flachen Verlauf über einen großen Frequenzbereich aufweisen (sie arbeiten sehr schlecht bei niedrigen Frequenzen) und sich ihre vibrationsdämpfenden Eigenschaften über die Temperatur und Lebensdauer verändern.

Wie die g-Empfindlichkeit kann sich die Vibrationsempfindlichkeit des Drehratensensors über die Frequenz ändern. Während sich Antivibrationsgummis für schmalbandige Vibrationen in einem bekannten Spektrum erfolgreich entwickeln lassen, sind solche Bauteile für allgemeine Anwendungen mit breitbandigen Vibrationen problematisch.

Fehlverhalten bei Drehratensensoren aufgrund mechanischer Störungen

Viele Anwendungen weisen kurzzeitige mechanische Störungen auf, die den Drehratensensor nicht beschädigen, aber große Fehler produzieren. Einige Beispiele sind hier vorgestellt.

Einige Drehratensensoren tolerieren keine Drehrate im Überlastbereich. Bild 5 zeigt den Verlauf eines Drehratensensors CRG20 von Silicon Sensing bei einer Drehrate von etwa 70% über dem spezifizierten Bereich. Die Kurve links zeigt den Verlauf des CRS20, wenn der Drehratensensor einer Rotation von 0 bis 500°/s ausgesetzt wird und dann andauert. Die Kurve rechts zeigt den Verlauf, wenn die Eingangsrate von 500 auf 0°/s reduziert wird. Der Ausgang bewegt sich drastisch zwischen den Dynamikgrenzen (Rail-zu-Rail), wenn die Drehrate jenseits des angegebenen Messbereichs liegt.

Andere Drehratensensoren haben eine Tendenz zum "Lock up", wenn sie Stößen von wenigen Hundert g ausgesetzt worden. Zum Beispiel zeigt Bild 6 den Verlauf eines VTI SCR1100-D04, wenn er 0,5 ms lang einem Stoß von 250 g ausgesetzt wird. Der Stoß wird erzeugt, indem eine 5-mm-Stahlkugel in einer Entfernung von 40 cm auf die Leiterplatte neben dem Drehratensensor fallen gelassen wird.

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