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MEMS-Beschleunigungsmesser für ROVs, AUVs, Schiffs- und Seefahrtssysteme

Summer James

Übersicht von Summer James

Aktualisiert:

MEMS-Beschleunigungsmesser sind kompakte Sensoren, die Beschleunigungen erfassen. In ROVs, AUVs und ASVs ermöglichen sie eine präzise Bewegungsverfolgung, Steuerung und Integration mit Trägheitsnavigationssystemen (INS).

MEMS-Beschleunigungsmesser nutzen mikromechanische Strukturen wie Ausleger oder Prüfmassen, die in Siliziumwafer geätzt sind, um Beschleunigungskräfte zu erfassen. Wenn eine Baugruppe Bewegungen oder Gravitationskräften ausgesetzt ist, bewegt sich die Prüfmasse leicht. Diese Verschiebung wird über kapazitive, piezoresistive oder piezoelektrische Wandlung in ein elektrisches Signal umgewandelt.

[Bildunterschrift id=”attachment_21563″ align=”alignright” width=”261″]MEMS-Beschleunigungsmesser von SDI 1522 MEMS-Beschleunigungsmesser von SDI.[/Bildunterschrift]

Aufgrund ihrer mikroskopischen Bauweise bieten MEMS-Beschleunigungsmesser gegenüber herkömmlichen Beschleunigungsmessern entscheidende Vorteile:

  • Kompakt und leicht: ideal bei begrenztem Platzangebot, z. B. in ROV-Rahmen oder AUV-Rümpfen.
  • Geringer Stromverbrauch: geeignet für batteriebetriebene Plattformen mit begrenztem Energiebudget.
  • Kostengünstig: weit verbreitet und kostengünstiger als hochwertige taktische Sensoren.

    • Skalierbare Mehrachsenmessung: 3-Achsen-Beschleunigungsmesser sind in kleinen Gehäusen erhältlich.

Im maritimen Kontext werden MEMS-Beschleunigungssensoren häufig mit MEMS-Gyroskopen kombiniert, um MEMS-Trägheitsmesseinheiten (IMUs) zu bilden. In Verbindung mit Trägheitsnavigationssystemen (INS) ermöglichen diese Komponenten eine kontinuierliche Positions- und Lagebestimmung, selbst wenn kein GPS verfügbar ist.

Arten von MEMS-Beschleunigungsmessern

Es gibt mehrere Arten von MEMS-Beschleunigungssensoren, die es zu kennen lohnt:

  • Kapazitive Beschleunigungsmesser: Verwenden kapazitive Platten, um die Bewegung der Prüfmasse zu erfassen. Sie bieten eine gute Auflösung, Stabilität und einen großen Temperaturbereich, wodurch sie sich ideal für marinekonforme Konstruktionen eignen.
  • Piezoresistive und piezoelektrische Beschleunigungsmesser: besser geeignet für Messungen mit höheren Frequenzen oder Stößen. Piezoelektrische Typen, die häufig in piezoelektrischen Beschleunigungsmessern zu finden sind, sind robust und praktisch für die Schwingungsüberwachung an Schiffskörpern oder Maschinen.
  • Digitale Beschleunigungsmesser: Integrieren integrierte ADCs zur Ausgabe digitaler Signale über I²C oder SPI, wodurch die Anfälligkeit für analoges Rauschen verringert und die Integration vereinfacht wird, insbesondere in maritimen Elektronikstacks.
  • 3-Achsen- und Mehrachsenvarianten: Ermöglichen eine umfassende Bewegungserkennung, Neigung, Rollbewegung und Gierung; notwendig für die Navigation und Stabilisierung in dynamischen Wasserumgebungen.

MEMS-Beschleunigungsmesser in ROVs, AUVs und ASVs

ROVs

  • Lageregelung: 3-Achsen-Beschleunigungsmesser erfassen Neigung und Rollbewegung und unterstützen so die Steuerungssysteme dabei, die Stabilität aufrechtzuerhalten und die Manövrierfähigkeit in der Nähe des Meeresbodens oder von Strukturen zu verbessern.
  • Stoß-/Vibrationsüberwachung: Piezo-Sensoren messen Stöße oder mechanische Vibrationen, gewährleisten Zuverlässigkeit und reduzieren den Wartungsaufwand.
  • Trägheitsnavigation: In IMUs kombiniert, werden Beschleunigungsmesser in INS eingespeist, um Kurs und Tiefe aufrechtzuerhalten, wenn die akustische Positionsbestimmung über Kabel instabil oder nicht verfügbar ist.

AUVs

  • Koppelnavigation: MEMS-Beschleunigungsmesser- und Gyroskopdaten unterstützen Positionsschätzungen zwischen GPS-Ortungen an der Oberfläche.
  • Stabilisierung: Echtzeit-Beschleunigungsdaten unterstützen die adaptive Steuerung für Tiefenhaltung, Höhe und Geschwindigkeit.
  • Kollisionsvermeidung: Die Erkennung schneller Verzögerungen ermöglicht es Systemen, Kontakte oder Hindernisse in unmittelbarer Nähe zu erkennen.

ASVs

  • Navigationsunterstützung: Beschleunigungsmesser in IMUs von Überwasserschiffen ergänzen GNSS für genaue Positionsbestimmungen bei rauer See oder in GNSS-ausgeschlossenen Zonen.

    • Bewegungskompensation: Präzise Beschleunigungsdaten ermöglichen eine dynamische Kompensation für Nutzlasten wie Sonare, Sensoren oder Antennen.

  • Sicherheitssysteme: Erkennen Sie plötzliche Bewegungen, die auf Kollisionen, Überflutungen oder Geräteausfälle hinweisen.

Integration in Trägheitsnavigationssysteme
Beschleunigungsmesser von Tronics Microsystems Beschleunigungsmesser AXO®315 von Tronics Microsystems.[/Bildunterschrift]

Ein INS kombiniert Beschleunigungsmesser und Gyroskope in einer IMU und speist Bewegungsdaten in Algorithmen ein, die Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung über die Zeit berechnen. INS hat folgende Aufgaben:

  • Überlebensfähigkeit: Erhält die Navigation aufrecht, wenn externe Hilfsmittel wie GPS nicht verfügbar sind.
  • Systemsynergie: Integration mit Doppler-Geschwindigkeitsmessern (DVL), Tiefensensoren, Magnetkompassen und GNSS über Sensorfusion.
  • Präzise Kartierung des Meeresbodens: unerlässlich für geophysikalische Vermessungs-AUVs oder Side-Scan-Sonar-ROVs.

MEMS-Beschleunigungsmesser verbessern die INS-Leistung erheblich, indem sie eine kostengünstige und zuverlässige Beschleunigungsmessung ermöglichen. Hochwertige MEMS-Geräte zeichnen sich durch geringe Bias-Drift, hohe Auflösung und stabile Temperaturreaktion aus – Eigenschaften, die für eine präzise Seefahrt unerlässlich sind.

Weitere maritime Anwendungen für MEMS-Beschleunigungsmesser

Über fahrzeugbasierte Systeme hinaus finden MEMS-Beschleunigungsmesser breite Anwendung in einer Reihe anderer maritimer Anwendungen. Aufgrund ihrer geringen Größe, Zuverlässigkeit und Reaktionsfähigkeit eignen sie sich gut für die Überwachung, Steuerung und Diagnose in statischen und dynamischen Meeresumgebungen. Zu den wichtigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Zustandsüberwachung von Strukturen: Beschleunigungsmesser, die an Schiffsrümpfen, Offshore-Plattformen und Unterwasserstrukturen angebracht sind, erkennen Schwingungssignaturen, die auf Materialermüdung, Biofouling oder strukturelle Anomalien hinweisen.
  • Zustandsüberwachung: Überwachung mechanischer Systeme an Bord von Schiffen und Booten – Erkennung von unausgewogenen Rotoren, Fehlausrichtungen oder Lagerfehlern.
  • Unterwasserfahrzeuge jenseits von AUVs: Gleiter, Profilschwimmer und Wellengleiter verwenden MEMS-Beschleunigungsmesser zur Bewegungserfassung und -steuerung.
  • Verankerungs- und Bojensysteme: Verfolgung von Neigungen oder wellenbedingten Beschleunigungen in Bojen, Wetterstationen oder Fernerkundungsplattformen.

Auswahl des richtigen MEMS-Beschleunigungssensors

Wichtige Faktoren bei der Auswahl sind:

  • Messbereich: ±2 g für sanfte Bewegungen gegenüber ±200 g+ für Stöße/Vibrationen.
  • Bandbreite: Niedrigere Bandbreiten (≤100 Hz) eignen sich für die Navigation, höhere Bandbreiten (>1 kHz) für die Vibrationsüberwachung.
  • Rauschdichte und Auflösung: Bestimmen Sie, wie gut der Sensor kleine Beschleunigungsänderungen erkennt, was für die Trägheitsnavigation unerlässlich ist.
  • Bias-Stabilität/Drift: wichtig für die Langlebigkeit des INS zwischen GNSS-Fixes.
  • Umgebungstoleranz: Stellen Sie sicher, dass der Sensor Druck, Salzgehalt und extremen Temperaturen standhält; berücksichtigen Sie die Verpackung und die konforme Beschichtung.
  • Schnittstellentyp: Wählen Sie zwischen analog und digital (I²C/SPI) basierend auf der Architektur der Schiffselektronik.

    • Zertifizierung/Konformität: Achten Sie auf Produkte in Marine- oder Verteidigungsqualität mit Stoß-/Vibrationsqualifikation (MIL-STD, IP/ATEX-Bewertungen).

Zu den neuen Entwicklungen gehören:

  • Ultra-stabile MEMS: MEMS-Beschleunigungsmesser mit geringer Bias-Drift erreichen mittlerweile fast die Leistung von taktischen Geräten.
  • Sensorfusionstechnologien: KI-gesteuerte Echtzeitfilterung, die die Kalman-Filterparameter dynamisch anpasst, um die Drift zu optimieren.
  • Systemminiaturisierung: MEMS-IMUs sind nun in sehr kompakten (<10 cm³) robusten Gehäusen erhältlich, die für kompakte Plattformen geeignet sind.
  • Konvergenz der Zustandsüberwachung: Beschleunigungsmesser, die gleichzeitig für die Navigation und die strukturelle Zustandsüberwachung auf gemeinsamen Plattformen verwendet werden.

MEMS-Beschleunigungsmesser sind in der Meerestechnik unverzichtbar. Sie spielen eine entscheidende Rolle in ROVs, AUVs und ASVs und ermöglichen eine präzise Steuerung, Bewegungskompensation und Integration in Trägheitsnavigationssysteme. Über die Fahrzeugnavigation hinaus unterstützen sie die Struktur- und Zustandsüberwachung, Bojensysteme und Wave-Glider-Plattformen. MEMS-Beschleunigungsmesser bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Größe, Kosten und Stromverbrauch, das von herkömmlichen Sensoren nicht erreicht wird, und durch kontinuierliche Weiterentwicklungen wird ihre Bedeutung in maritimen und maritimen Anwendungen weiter ausgebaut.

Summer James

Von Summer James