30.10.2015

Flüssigkeitsbasierter kapazitiver 360°-Neigungssensor

2E mechatronic hat einen kapazitiven flüssigkeitsbasierten kapazitiven 360°- Neigungssensor entwickelt. Neigungssensoren ermitteln allgemein den Lagewinkel eines Objekts bzgl. des Gravitationsfeldes der Erde. Das Funktionsprinzip des fluidischen Neigungssensors beruht auf der Kapazitätsänderung einer neigungsabhängigen Differenzial-Kapazitäts-Anordnung.


360°-Doppelkammer-Neigungssensor

Schematische Elektrodenanordnung und Funktionsprinzip (beide Bilder: 2E mechatronik; zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken)

Durch zwei Gehäusehälften und eine Distanzscheibe wird eine zylindrische Kavität gebildet, die zur Hälfte mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist. An einer Stirnseite der zylindrischen Kavität sind zwei halbkreisförmige Elektroden, an der anderen Stirnseite eine kreisförmige Elektrode untergebracht. Bild 2 zeigt diesen Aufbau der Elektrodenanordnung und der in der Kavität stehenden Flüssigkeit schematisch.


Bei Neigung des Gehäuses d.h. der zylindrischen Kavität bezüglich der Horizontalen behält die dielektrische Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft ihre Lage bei. Über die Elektrodenkonfiguration wird eine vom Neigungswinkel abhängige Differenzkapazität zwischen den Elektrodenpaaren gebildet, die von einer Elektronik erfasst und ausgewertet wird. Als Ausgangssignal gibt die Elektronik über einen I²C-Bus Digits aus, deren Inkrement über weite Bereiche des Messbereichs praktisch linear proportional zum Neigungswinkel um die sensitive Achse ist.



Der Aufbau des Sensors

Durch den Einsatz von Leiterplatten kann laut Anbieter bereits bei geringen Stückzahlen mit gut überschaubaren Kosten ein kundenspezifisches Sensordesign sowie ein Baukastensystem umgesetzt werden. Beispielsweise kann die Boden-Leiterplatte bzw. die ganze Neigungssensorzelle individuell auf die Bedürfnisse des Kunden hinsichtlich Baugröße und Sensorperformance abgestimmt werden.


Die Auflösung des Neigungssensors liegt bei unter 0,01°. Die Untersuchung und Auswertung des Temperaturganges der Sensorzelle von -15 bis +70°C ergab, dass für viele Anwendungen eine Kalibration der Sensorzelle bei Raumtemperatur ausreichend sein sollte. Da die Sensorzellen nur geringen Exemplarstreuungen unterliegt, kann der Temperaturgang rechnerisch mit verallgemeinerten Werten korrigiert werden.


Unter Berücksichtigung der Temperatureffekte stößt der Neigungssensor damit in einen Genauigkeitsbereich von +/-0,1° vor. Der Neigungssensor zeigt sich unempfindlich gegenüber Neigungen senkrecht zu seiner sensitiven Achse. Querneigungen kleiner +/- 30° führen zu einem Winkelfehler von weniger als +/- 0,05°, was den Sensor bzgl. einer leicht verkippten Montage gegenüber Beschleunigungssensor-basierten Systemen sehr gutmütig macht. Dynamische Messungen am Neigungssensor mit hohen Winkelgeschwindigkeiten und starkem abruptem Abbremsen zeigten, dass die Sensorzelle nach ca. 0,5 Sekunden ein nutzbares Ausgangssignal liefert. Dies ist für die Großzahl der Anwendungen, bei denen eine statische Messung erfolgt ausreichend.




Die Einsatzgebiete


Mögliche Einsatzgebiete von Neigungssensoren sind z.B. der Automobilbau, der Sonderfahrzeugbau, die Automatisierungstechnik, die Konsumerelektronik, die Messtechnik, oder die Medizintechnik. Beispielsweise wird an Kränen und Baggern der Neigungswinkel der Ausleger erfasst um das Umkippen der Maschinen zu verhindern oder diese zu automatisieren. Krankenbetten bzw. OP-Tische oder auch Werkzeugmaschinen werden über Neigungssensoren nivelliert. Bei Nachführsystemen für Solarmodule oder beim Monitoring von Windkraftanlagen kommen ebenfalls Neigungssensoren zum Einsatz.


Für Tests steht Interessenten ein Evaluation-Kit 4 Wochen lang kostenlos zur Verfügung.


 


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