Beschleunigungsmesser-Bereich

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Der Messbereich eines Beschleunigungssensors definiert die maximale messbare Beschleunigung, die ein Sensor präzise erfassen kann, ohne in die Sättigung zu geraten. Hersteller geben diesen Parameter als symmetrischen Vollausschlagwert an, beispielsweise ±2 g, ±8 g, ±16 g, ±50 g oder ±100 g, wobei 1 g = 9,80665 m/s² entspricht. Der gewählte Messbereich bestimmt die maximale Eingangsbeschleunigung und beeinflusst gleichzeitig direkt die Messauflösung, die Quantisierung und das Rauschverhalten.

Ein Beschleunigungssensor wandelt die Auslenkung der Prüfmasse mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) in ein digitales Ausgangssignal um. Bei einem N-Bit-ADC beträgt die theoretische Quantisierungsstufe

$$\Delta a = \frac{2A_{FS}}{2^N},$$

wobei $A_{FS}$ ist der positive Vollbereich. Durch die Vergrößerung des Messbereichs wird das niedrigstwertige Bit (LSB) vergrößert, wodurch sich die theoretische Auflösung des Sensors verringert. Obwohl moderne Trägheitssensoren Da in der Regel durch Anpassung der internen Verstärkung eine konstante digitale Auflösung aufrechterhalten wird, steigt die effektive Rauschdichte im Allgemeinen mit zunehmendem Messbereich an.

Die Auswahl eines zu kleinen Bereichs führt immer dann zu einer Sättigung des Ausgangssignals, wenn

$$|a| > A_{FS},$$

wodurch der Sensor die tatsächliche Beschleunigung nicht mehr korrekt wiedergeben kann. Eine Sättigung führt zu Signalabschneidungen und beeinträchtigt die Trägheitsintegration. Dies führt zu einer raschen Verschlechterung der Geschwindigkeits- und Positionsschätzung in einem INS. Umgekehrt verringert die Wahl eines zu großen Messbereichs die Empfindlichkeit gegenüber geringen Beschleunigungen. Dies führt zu einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), insbesondere bei quasi-statischen Messungen.

Dynamik in realen Anwendungen

Der optimale Messbereich eines Beschleunigungssensors hängt von der zu erwartenden Dynamik der Anwendung ab. Bei der Präzisionsvermessung, der mobilen Kartierung und auf stabilisierten maritimen Plattformen wird in der Regel Wert auf ein geringes Rauschen gelegt. Diese Systeme arbeiten mit moderaten Messbereichen, typischerweise von ±2 g bis ±8 g. Hochdynamische Plattformen erfordern größere Messbereiche, um eine Sättigung bei aggressiven Manövern zu vermeiden. Beispiele hierfür sind Raketen, Loitering-Munition, Renn-UAVs, Trägerraketen und Aufprallüberwachungssysteme.

In der Trägheitsnavigation sollte der Messbereich eines Beschleunigungssensors niemals isoliert betrachtet werden. Er muss zusammen mit der Bias-Instabilität, der Genauigkeit des Skalierungsfaktors und der Bandbreite bewertet werden. Weitere kritische Parameter sind der Vibrationsausgleichsfehler (VRE), die Abtastfrequenz und die Rauschdichte. Ein richtig gewählter Messbereich stellt sicher, dass der Sensor innerhalb seines linearen Betriebsbereichs bleibt. Dies maximiert die Messgenauigkeit und verbessert die Lagebestimmung. Letztendlich erhöht dies die Genauigkeit der Koppelnavigation und INS allgemeine INS in anspruchsvollen Einsatzumgebungen.