Drehratensensor

Drehraten-Sensoren messen die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers. Der Drehratensensor gehört zur Gruppe der Inertialsensoren.

Funktionsprinzip

Raumachsen und zugehörige Drehratenbezeichnungen

Drehratensensoren messen die Winkelgeschwindigkeit entlang einer Drehachse. Durch Integration lässt sich daraus ableiten, um welchen Winkel sich ein Körper innerhalb einer Zeit gedreht hat. Die Drehraten um die drei Raumachsen bezeichnet man meist als

• Gierrate (Drehung um Hochachse, engl. yaw)
• Nickrate (Drehung um Querachse, engl. pitch)
• Wankrate/Rollrate (Drehung um Längsachse, engl. roll)

Das Messprinzip basiert im Wesentlichen auf zwei Messprinzipien:

1. Corioliskraft, die auf mechanisch bewegtes System wirkt.
   • Foucaultsches Pendel
   • Kreiselkompass
   • Dynamically Tuned Gyro (DTG), Messfehler < 1°/h
   • Vibrationskreisel, Messfehler < 10°/h
   • Schwingkölbchen
2. Sagnac-Effekt, der bei Licht beobachtet wird.
   • Ringlaser (RLG), Messfehler < 0,001°/h
   • Faserkreisel (FOG), Messfehler < 1°/h

Aufbau

Hochgenaue Drehratensensoren für die Navigation von Flugzeugen oder Raketen basieren heute auf Faserkreiseln (Sagnac-Effekt). Bei den preiswerteren mikromechanischen Drehratensensoren unterscheidet man zwischen integrierten Sensoren, bei dem die elektronische Auswerteschaltung und der MEMS-Sensorkern in einem Chip integriert sind, sowie diskreten Sensoren. Sie bestehen aus einem separaten Mikromechanik-Chip (MEMS-Chip) und einem anwenderspezifischen Elektronikchip (ASIC). Seit 2009 finden mikromechanische DRS breite Anwendungen in der Consumer-Elektronik. In Smart-Phones steuern DRS z. B. Spiele oder Navigationsanwendungen. In Spielekonsolen geben DRS die Bewegungen des Spielers wieder.

Anwendung

• Navigation: In Trägheits- und GPS-Navigationsgeräten, bei letzterem zur Überbrückung von Strecken ohne Satellitenkontakt.
• Automobiltechnik: In der Automobiltechnik werden heute für Fahrstabilitäts-Systeme (z. B. ESP) und Navigation (s.o.) die Gierrate oder für Roll-Over-Detektion alle Drehachsen üblicherweise mit mikromechanische Drehratensensoren auf Silizium-Basis gemessen.
• Digitalfotografie: Mit sinkenden Preisen für Sensoren auf MEMS-Basis werden Beschleunigungs- und Drehratensensoren auch zur Bildstabilisierung bei Digitalkameras eingesetzt.

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3