Ein Beschleunigungsmesser ist ein Instrument zur Messung der richtigen Beschleunigung eines Objekts. Die Eigenbeschleunigung ist definiert als die Änderungsrate der Geschwindigkeit eines Objekts relativ zu einem Beobachter im freien Fall, der einen Trägheitsbezugsrahmen darstellt. Dies unterscheidet sich von der Koordinatenbeschleunigung, die in Bezug auf ein potenziell beschleunigendes Koordinatensystem gemessen wird. Beispielsweise erkennt ein auf der Erdoberfläche ruhender Beschleunigungsmesser aufgrund der Schwerkraft eine Aufwärtsbeschleunigung von etwa g (9,81 m/s2). Im Gegensatz dazu registriert ein Beschleunigungsmesser im freien Fall keine Beschleunigung.
Ein Beschleunigungsmesser ist ein Gerät, das die richtige Beschleunigung eines Objekts misst. Die Eigenbeschleunigung ist die Beschleunigung (die Geschwindigkeitsänderungsrate) des Objekts relativ zu einem Beobachter, der sich im freien Fall befindet (d. h. relativ zu einem Trägheitsbezugssystem). Die richtige Beschleunigung unterscheidet sich von der Koordinatenbeschleunigung, bei der es sich um die Beschleunigung in Bezug auf ein bestimmtes Koordinatensystem handelt, das möglicherweise beschleunigt oder nicht. Beispielsweise misst ein auf der Erdoberfläche ruhender Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung aufgrund der Erdschwerkraft direkt nach oben von etwa g ≈ 9,81 m/s§45§. Im Gegensatz dazu misst ein Beschleunigungsmesser im freien Fall keine Beschleunigung.
Hochempfindliche Beschleunigungsmesser sind integrale Bestandteile von Trägheitsnavigationssystemen, die in Flugzeugen und Raketen eingesetzt werden. In unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) tragen diese Geräte zur Flugstabilisierung bei. Beschleunigungsmesser für mikrobearbeitete mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden häufig in tragbare elektronische Geräte wie Smartphones, Kameras und Videospiel-Controller integriert, um die Bewegung und Ausrichtung von Geräten zu ermitteln. Darüber hinaus werden Beschleunigungsmesser routinemäßig zur Überwachung von Vibrationen in Industriemaschinen eingesetzt. Seismometer, bei denen es sich um spezielle empfindliche Beschleunigungsmesser handelt, werden zur Erkennung von Bodenbewegungen wie Erdbeben eingesetzt.
Wenn mehrere Beschleunigungsmesser synchronisiert werden, können sie Variationen der richtigen Beschleunigung, insbesondere der Gravitationskräfte, über ihren räumlichen Abstand hinweg quantifizieren und so den Gravitationsfeldgradienten bestimmen. Die Schwerkraftgradiometrie erweist sich als wertvoll, da der absolute Gravitationseffekt von Natur aus schwach ist und von der stark schwankenden lokalen Dichte der Erde beeinflusst wird.
Ein einachsiger Beschleunigungsmesser ist so konzipiert, dass er die Beschleunigung ausschließlich entlang einer bestimmten Achse misst. Im Gegensatz dazu ermittelt ein mehrachsiger Beschleunigungsmesser sowohl die Größe als auch die Richtung der richtigen Beschleunigung, behandelt sie als Vektorgröße und umfasst typischerweise mehrere einachsige Beschleunigungsmesser, die entlang unterschiedlicher Achsen ausgerichtet sind.
Grundlegende physikalische Prinzipien
Ein Beschleunigungsmesser quantifiziert die richtige Beschleunigung, definiert als die im Verhältnis zum freien Fall erfahrene Beschleunigung, die der von Personen und Objekten wahrgenommenen Beschleunigung entspricht. Anders ausgedrückt stellt das Äquivalenzprinzip das Vorhandensein eines lokalen Inertialsystems an jedem beliebigen Punkt in der Raumzeit sicher, und ein Beschleunigungsmesser misst die Beschleunigung in Bezug auf dieses spezifische System. Diese Beschleunigungen werden allgemein als g-Kraft bezeichnet und stellen einen Vergleich zur normalen Schwerkraft dar.
Ein auf der Erdoberfläche stationärer Beschleunigungsmesser registriert eine Beschleunigung von ungefähr 1 g nach oben. Dies geschieht, weil die Erdoberfläche eine nach oben gerichtete Normalkraft relativ zum lokalen Trägheitsrahmen ausübt, der der Rahmen eines frei fallenden Objekts in der Nähe der Oberfläche ist. Um die Beschleunigung, die sich aus der Bewegung relativ zur Erde ergibt, genau zu bestimmen, muss dieser inhärente „Schwerkraftversatz“ subtrahiert werden, und es müssen weitere Korrekturen für Effekte vorgenommen werden, die aus der Erdrotation relativ zum Inertialsystem resultieren.
Das Phänomen eines Gravitationsversatzes ergibt sich aus Einsteins Äquivalenzprinzip, das besagt, dass die Auswirkungen der Schwerkraft auf ein Objekt nicht von denen der Beschleunigung zu unterscheiden sind. Wenn ein Beschleunigungsmesser in einem Gravitationsfeld stationär gehalten wird, beispielsweise durch eine Bodenreaktionskraft oder einen entsprechenden Aufwärtsschub, beschleunigt sein interner Referenzrahmen (sein Gehäuse) relativ zu einem frei fallenden Referenzrahmen nach oben. Folglich sind die Auswirkungen dieser Beschleunigung nicht von anderen Beschleunigungen zu unterscheiden, denen das Instrument ausgesetzt sein könnte. Daher kann ein Beschleunigungsmesser nicht unterscheiden, ob er sich stationär in einer Rakete auf einer Startrampe befindet oder ob er sich in derselben Rakete im Weltraum befindet, die mithilfe ihrer Triebwerke mit 1 g beschleunigt. Analog dazu registriert ein Beschleunigungsmesser bei jeder Form des freien Falls Null. Dazu gehören Szenarien wie ein rollendes Raumschiff im Weltraum ohne nennenswerte Masse, ein Raumschiff, das die Erde umkreist, ein Flugzeug, das ein parabolisches „Null-G“-Manöver ausführt, oder jeder freie Fall im Vakuum. Ein weiteres Beispiel ist der freie Fall in einer Höhe, die hoch genug ist, um atmosphärische Effekte vernachlässigbar zu machen.
Dieses Prinzip gilt jedoch nicht für Szenarien ohne freien Fall, in denen der Luftwiderstand Widerstandskräfte erzeugt und dadurch die Beschleunigung verringert, bis eine konstante Endgeschwindigkeit erreicht ist. Beim Erreichen der Endgeschwindigkeit registriert der Beschleunigungsmesser eine Aufwärtsbeschleunigung von 1 g. Ebenso nimmt ein Fallschirmspringer, der die Endgeschwindigkeit erreicht, nicht wahr, dass er sich im „freien Fall“ befinde, sondern verspürt stattdessen das Gefühl, von einem Kissen aus nach oben strömender Luft getragen zu werden (bei 1 g).
Die Beschleunigung wird in der SI-Einheit Meter pro Quadratsekunde (m/s2), der CGS-Einheit Gal (Gal) oder häufiger relativ zur Standardschwerkraft (g) gemessen.
Um die Beschleunigung von Objekten relativ zur Erde genau zu bestimmen, insbesondere für Anwendungen wie Trägheitsnavigationssysteme, sind Daten zur lokalen Erdbeschleunigung unerlässlich. Diese Daten können durch Gerätekalibrierung im stationären Zustand oder durch Verwendung eines vorab erstellten Gravitationsmodells erfasst werden, das dem ungefähren aktuellen Standort entspricht.
Strukturelles Design
Ein grundlegendes mechanisches Beschleunigungsmesserdesign beinhaltet eine gedämpfte Prüfmasse, die an einer Feder aufgehängt ist. Bei Beschleunigung bewirkt die Prüfmasse gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz eine Kompression oder Ausdehnung der Feder. Diese Einstellung erzeugt eine Gegenkraft auf die Masse, die der aufgebrachten Beschleunigung effektiv entgegenwirkt. Da die Kraft der Feder linear proportional zu ihrer Verschiebung ist (gemäß dem Hookeschen Gesetz) und sowohl die Federkonstante als auch die Masse vorbestimmt sind, ergibt die Messung der Kompression oder Ausdehnung der Feder direkt die Beschleunigung. In das System ist eine Dämpfung integriert, um Schwingungen der Masse-Feder-Anordnung abzuschwächen, die andernfalls die Messgenauigkeit beeinträchtigen könnten. Folglich verleiht dieser Dämpfungsmechanismus Beschleunigungsmessern eine spezifische Frequenzgangcharakteristik.
Zahlreiche Tierarten verfügen über spezielle Sinnesorgane, die Beschleunigungen, insbesondere Gravitationskräfte, erkennen können. Bei diesen biologischen Beschleunigungsmessern besteht die Prüfmasse typischerweise aus einem oder mehreren Kalziumkarbonatkristallen, die als Otolithen (von lateinisch „Ohrstein“) oder Statokonien bekannt sind. Diese Kristalle üben Druck auf ein Bett aus Haarzellen aus, die von Neuronen innerviert werden. Die Haarzellen fungieren als Federmechanismus, während die zugehörigen Neuronen als sensorische Wandler dienen. Die Dämpfung erfolgt üblicherweise durch eine umgebende Flüssigkeit. Viele Wirbeltiere, darunter auch der Mensch, besitzen diese Strukturen in ihren Innenohren. Die meisten Wirbellosen weisen auch analoge Organe auf, sogenannte Statozysten, die sich jedoch im Allgemeinen von ihrem Hörsystem unterscheiden.
Viele mechanische Beschleunigungsmesser sind mit einem Rückkopplungsmechanismus ausgestattet: Ein elektronischer Schaltkreis erkennt eine winzige Verschiebung der Prüfmasse und übt dann über einen Linearmotor eine Gegenkraft aus, um die Prüfmasse nahe ihrer Gleichgewichtsposition zu halten. Dieser Motor kann ein Elektromagnet oder, bei miniaturisierten Beschleunigungsmessern, ein elektrostatischer Aktuator sein. Da das Verhalten der elektronischen Schaltung präzise gesteuert werden kann und die Prüfmasse nur eine minimale Verschiebung erfährt, erreichen diese Designs eine hohe Stabilität (Verhinderung von Schwingungen), eine hervorragende Linearität und einen klar definierten Frequenzgang. Dieses Funktionsprinzip wird als Servomodus-Design bezeichnet.
Bei der Messung in mechanischen Beschleunigungsmessern kommen häufig elektrische, piezoelektrische, piezoresistive oder kapazitive Prinzipien zum Einsatz. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser nutzen piezokeramische Sensoren wie Bleizirkonattitanat oder Einkristalle wie Quarz und Turmalin. Diese Geräte zeichnen sich durch Hochfrequenzmessungen aus, bieten ein geringes Packgewicht und weisen eine hervorragende Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen auf. Piezoresistive Beschleunigungsmesser weisen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen auf und halten sehr hohen Beschleunigungen effektiver stand. Kapazitive Beschleunigungsmesser enthalten üblicherweise ein mikrobearbeitetes Silizium-Sensorelement und eignen sich besonders gut zur Messung niedriger Frequenzen.
Moderne mechanische Beschleunigungsmesser manifestieren sich häufig als kompakte mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die oft aus relativ einfachen MEMS-Strukturen wie einem Auslegerbalken bestehen, in den eine Prüfmasse integriert ist (auch als seismische Masse bezeichnet). Die Dämpfung innerhalb dieser Geräte wird typischerweise durch das in ihren Gehäusen eingeschlossene Restgas erreicht. Vorausgesetzt, dass der Q-Faktor ausreichend hoch bleibt, verringert dieser Dämpfungsmechanismus grundsätzlich nicht die Empfindlichkeit.
Wenn die Prüfmasse äußeren Beschleunigungen ausgesetzt wird, erfährt sie eine Auslenkung aus ihrer Gleichgewichtsposition. Diese Verschiebung wird anschließend entweder auf analogem oder digitalem Wege gemessen. Die am weitesten verbreitete Messtechnik besteht darin, die Kapazität zwischen einem Satz stationärer Balken und einem Satz Balken, die an der Prüfmasse befestigt sind, zu messen. Dieser Ansatz bietet Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Eine wirksame Alternative besteht darin, Piezowiderstände in die Federn zu integrieren, um Verformungen zu erkennen und daraus auf eine Durchbiegung zu schließen. Dies erfordert jedoch zusätzliche Herstellungsschritte. Für Anwendungen, die außergewöhnlich hohe Empfindlichkeiten erfordern, wird die Quantentunneldetektion eingesetzt, obwohl dieser spezielle Prozess die Herstellungskosten erheblich erhöht. Darüber hinaus wurden optische Messtechniken erfolgreich in Laborprototypen demonstriert.
Eine besondere Kategorie von MEMS-basierten Beschleunigungsmessern umfasst thermische oder konvektive Beschleunigungsmesser. Diese Geräte enthalten eine Miniaturheizung in einer kompakten Kuppelstruktur. Diese Heizung erhöht die Temperatur der Luft oder anderer in der Kuppel enthaltener Flüssigkeiten. Die resultierende thermische Blase fungiert als Prüfmasse. Ein integrierter Temperatursensor, beispielsweise ein Thermistor oder eine Thermosäule, überwacht die Temperatur an einem bestimmten Punkt innerhalb der Kuppel. Diese Messung bestimmt effektiv die Position der erhitzten Blase innerhalb der Kuppel. Bei der Beschleunigung der Kuppel verdrängt die kältere, dichtere Flüssigkeit die erhitzte Blase. Folglich schwankt die gemessene Temperatur. Diese Temperaturschwankung wird dann mit der Beschleunigung korreliert. Die Flüssigkeit selbst sorgt für die nötige Dämpfung. Auf die Flüssigkeit einwirkende Gravitationskräfte simulieren den Federmechanismus. Da es sich bei der Prüfmasse um ein sehr leichtes Gas handelt, das nicht durch Balken oder Hebel eingeschränkt wird, weisen thermische Beschleunigungsmesser eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Stoßbelastungen auf. Ein alternatives Design verwendet einen einzelnen Draht, um sowohl das Gas zu erhitzen als auch Temperaturänderungen zu erfassen. Temperaturschwankungen verändern direkt den elektrischen Widerstand dieses Drahtes. Ein zweidimensionaler Beschleunigungsmesser kann kostengünstig mit einer einzigen Kuppel, einer Blase und zwei unterschiedlichen Messgeräten hergestellt werden.
Die meisten mikromechanischen Beschleunigungsmesser funktionieren in der Ebene, was bedeutet, dass ihre Konstruktion die Empfindlichkeit auf eine einzige Richtung innerhalb der Ebene des Chips beschränkt. Die orthogonale Integration zweier solcher Geräte auf einem einzigen Chip ermöglicht die Erstellung eines zweiachsigen Beschleunigungsmessers. Der Einbau eines zusätzlichen Out-of-Plane-Geräts erleichtert die triaxiale Messung. Diese integrierte Konfiguration kann Fehlausrichtungsfehler im Vergleich zum Zusammenbau von drei separaten diskreten Modellen nach dem Verpacken erheblich reduzieren.
Mikromechanische Beschleunigungsmesser werden mit verschiedenen Messbereichen hergestellt und können Beschleunigungen von bis zu mehreren tausend g's erfassen. Entwickler müssen den Kompromiss zwischen Sensorempfindlichkeit und maximal messbarer Beschleunigung abwägen.
Anwendungen
Engineering
Beschleunigungsmesser werden zur Quantifizierung der Fahrzeugbeschleunigung eingesetzt. Sie dienen auch zur Schwingungsüberwachung in Automobilen, Maschinen, Gebäuden, Prozessleitsystemen und Sicherheitsanlagen. Darüber hinaus ermöglichen diese Geräte die Messung seismischer Aktivität, Neigung, Maschinenvibration sowie dynamischer Distanz und Geschwindigkeit, unabhängig vom Einfluss der Schwerkraft. Wenn sie speziell für die Gravimetrie konfiguriert sind, werden Beschleunigungsmesser zur Messung der Schwerkraft als Gravimeter bezeichnet.
Biologie
Beschleunigungsmesser erfreuen sich in den biologischen Wissenschaften zunehmender Akzeptanz. Hochfrequenzaufzeichnungen der biaxialen oder triaxialen Beschleunigung ermöglichen die Differenzierung von Verhaltensmustern bei Tieren, die nicht direkt beobachtbar sind. Darüber hinaus ermöglichen Beschleunigungsdaten den Forschern, den Energieverbrauch eines Tieres in natürlichen Umgebungen zu quantifizieren, entweder durch die Bewertung der Häufigkeit von Gliedmaßenbewegungen oder durch Metriken wie die gesamte dynamische Körperbeschleunigung. Diese Methoden wurden aufgrund der Herausforderungen der direkten visuellen Beobachtung wilder Tiere vor allem von Meereswissenschaftlern übernommen. Allerdings wenden mittlerweile immer mehr Landbiologen vergleichbare Techniken an. Beschleunigungsmesser waren beispielsweise maßgeblich an der Untersuchung des Flugenergieverbrauchs des Harris-Falkens (Parabuteo unicinctus) beteiligt. Darüber hinaus verwenden Forscher Smartphone-Beschleunigungsmesser, um mechanobiologische Deskriptoren zu sammeln und abzuleiten, die für Widerstandsübungen relevant sind. Unter Forschern besteht ein zunehmender Trend, Beschleunigungsmesser mit ergänzenden Technologien wie Kameras oder Mikrofonen zu integrieren, um das Verständnis des Tierverhaltens in ihren natürlichen Lebensräumen zu verbessern (z. B. die Jagdstrategien des Kanadischen Luchses).
Industrie
In industriellen Kontexten werden Beschleunigungsmesser zur Überwachung des Maschinenzustands eingesetzt. Sie liefern wichtige Daten über Vibrationen und deren zeitliche Entwicklung in Wellen an den Lagern rotierender Geräte, einschließlich Turbinen, Pumpen, Lüfter, Walzen und Kompressoren, und erkennen Lagerfehler. Werden solche Probleme nicht behoben, können kostspielige Reparaturen die Folge sein. Die von Beschleunigungsmessern erfassten Vibrationsdaten ermöglichen es Benutzern, Maschinen kontinuierlich zu überwachen und diese Anomalien proaktiv zu identifizieren, wodurch ein katastrophaler Ausfall rotierender Geräte verhindert wird.
Gebäude- und Strukturüberwachung
Beschleunigungsmesser werden in großem Umfang bei der Überwachung des strukturellen Zustands (Structural Health Monitoring, SHM) von Gebäuden, Brücken und anderen zivilen Infrastrukturen eingesetzt, wo sie dynamische Reaktionen sowohl auf Umgebungs- als auch auf erzwungene Belastungen (z. B. Wind, Fahrzeugverkehr, Betriebsmaschinen und seismische Ereignisse) aufzeichnen. Aus diesen Schwingungsaufzeichnungen leiten Ingenieure modale Eigenschaften – insbesondere Eigenfrequenzen, Dämpfungsverhältnisse und Modenformen – ab, wobei sie häufig OMA-Techniken (Operational Modal Analysis) für bereits in Betrieb befindliche Strukturen einsetzen. Diese abgeleiteten Parameter werden dann im Laufe der Zeit verfolgt, um die Zustandsbewertung zu erleichtern und Strukturmodelle zu verfeinern.
In seismisch aktiven Regionen liefern Beschleunigungsmesser-Arrays, die in Gebäuden und anderen Infrastrukturen eingesetzt werden, Daten zu starken Bewegungen, die für sofortige Auswertungen nach dem Ereignis und umfassende langfristige Leistungsanalysen von entscheidender Bedeutung sind. In den Vereinigten Staaten verwaltet das National Strong-Motion Project (NSMP) des U.S. Geological Survey diese strukturellen Arrays und verbreitet Gebäude- und Strukturdaten über das Center for Engineering Strong Motion Data (CESMD).
Internationale Standards regeln die Instrumentierung und Datenqualitätsprotokolle für Gebäudeschwingungsmessungen. Insbesondere beschreibt ISO 4866 die Grundprinzipien für die Beurteilung der Vibration fester Strukturen und die Bewertung ihrer Auswirkungen auf der Grundlage der strukturellen Reaktion. Gleichzeitig bietet ISO 10137 Richtlinien zur Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden und Gehwegen, die Überlegungen zur menschlichen Wahrnehmung, zum inneren Inhalt und zur strukturellen Integrität selbst berücksichtigen.
Die Auswahl der Beschleunigungsmessertechnologie hängt vom erforderlichen Frequenzbereich und der erforderlichen Amplitude ab. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser werden häufig für Messungen mit höheren Frequenzen und Amplituden eingesetzt. Umgekehrt haben rauscharme Beschleunigungsmesser für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) vor allem aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Energieeffizienz bei der Niederfrequenzüberwachung von Gebäuden und Brücken sowie bei dichten oder drahtlosen Einsätzen an Bedeutung gewonnen. Jüngste Bewertungen und technologische Fortschritte zeigen, dass entsprechend ausgewählte MEMS-Geräte modale Parameter für die Überwachung des strukturellen Zustands (Structural Health Monitoring, SHM) genau identifizieren können und erfolgreich in hochempfindliche drahtlose Sensorknoten integriert wurden.
Vernetzte und drahtlose Smart-Sensor-Methoden ermöglichen eine skalierbare, verteilte Überwachung. Umfassende Übersichten verdeutlichen den Übergang von herkömmlichen kabelgebundenen zu kabellosen Structural Health Monitoring (SHM)-Systemen und unterstreichen die zunehmende Komplexität drahtloser Smart-Sensor-Netzwerke für Anwendungen wie die modale Identifizierung von Umgebungsvibrationen und kontinuierliche Leistungstrends.
Beschleunigungsmesser werden häufig in andere Sensortypen integriert, um die Verschiebungs- und Driftschätzung zu verbessern, insbesondere bei ausgedehnten oder flexiblen Strukturen. Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) bieten Daten zu quasistatischen und sehr niederfrequenten Bewegungen, die die von Beschleunigungsmessern abgeleiteten dynamischen Informationen effektiv ergänzen. Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass eine präzise dynamische Verschiebungsabfrage durch die Kombination von Hochgeschwindigkeits- oder Multi-GNSS-Lösungen mit Beschleunigungsmesserdaten erreicht werden kann.
Zusätzlich zu permanent instrumentierten Anlagen haben Forscher indirekte und Crowdsourcing-Überwachungsstrategien unter Verwendung von Smartphone-Beschleunigungsmessern untersucht, insbesondere für Brückenkonstruktionen. Studien zeigen, dass modale Frequenzen und gelegentlich räumliche Vibrationseigenschaften aus Beschleunigungsmesserdaten abgeleitet werden können, die von Fahrzeugen erfasst werden, die Brücken überqueren. Dieser Ansatz stellt eine ergänzende, kostengünstige Screening-Methode für umfangreiche Bestände dar. Darüber hinaus wurde in entsprechenden Untersuchungen die Smartphone-basierte Umgebungsvibrationsüberwachung für Gebäude bewertet.
Mehrere Langzeit-Fallstudien veranschaulichen groß angelegte Structural Health Monitoring (SHM)-Einsätze. Das Wind and Structural Health Monitoring System (WASHMS) von Hongkong überwacht die Tsing-Ma-Brücke seit 1997 kontinuierlich. Nachfolgende Veröffentlichungen enthalten detaillierte jahrzehntelange Daten zu Last und struktureller Reaktion während des Betriebs. Queensferry Crossing in Schottland verfügt über ein umfangreiches SHM-System mit Tausenden von Sensoren, und die Sydney Harbour Bridge soll Berichten zufolge ebenfalls mit Tausenden von Sensoren für die Echtzeitüberwachung ausgestattet sein.
Structural Health Monitoring (SHM)-Daten werden für die laufende Zustandsverfolgung, ereignisgesteuerte Bewertungen (z. B. Bewertungen nach einem Erdbeben) und als Grundlage für Entscheidungen zur Anlagenverwaltung verwendet. Im Brückenbau wird in den von Verkehrsbehörden herausgegebenen Richtlinien die Integration von Felddaten, einschließlich Beschleunigungsmessermessungen, mit Inspektions- und zerstörungsfreien Bewertungstechniken detailliert beschrieben, um die Zuverlässigkeit der Tragfähigkeitsbewertung zu verbessern und die Wartungsplanung zu optimieren.
Medizinische Anwendungen
Der AED Plus von Zoll verfügt über CPR-D•padz, die mit einem Beschleunigungsmesser ausgestattet sind, um die Tiefe der Brustkompressionen während der Herz-Lungen-Wiederbelebung (HLW) präzise zu messen.
In den letzten Jahren haben zahlreiche Unternehmen Sportuhren für Läufer entwickelt und kommerzialisiert, die Footpods mit Beschleunigungsmessern integrieren. Diese Geräte helfen bei der Bestimmung der Geschwindigkeit und Distanz des Trägers.
Die belgische Regierung fördert aktiv beschleunigungsmesserbasierte Schrittzähler als öffentliche Gesundheitsinitiative und ermutigt die Bürger, ein tägliches Ziel von mehreren tausend Schritten zu erreichen.
Der Herman Digital Trainer verwendet Beschleunigungsmesser, um die Schlagkraft während körperlicher Trainingsprogramme zu quantifizieren.
Die Integration von Beschleunigungsmessern in Football-Helme wurde vorgeschlagen, um die Aufprallkräfte von Kopfkollisionen zu quantifizieren. Das Forschungslabor der US-Armee hat den dreiachsigen Beschleunigungsschalter entwickelt, der für diese spezielle Anwendung vorgeschlagen wurde.
Beschleunigungsmesser wurden zur Berechnung von Gangparametern, einschließlich Stand- und Schwungphasen, eingesetzt. Diese Sensortechnologie eignet sich zur Messung und Überwachung menschlicher Bewegungen.
Navigation
Ein Trägheitsnavigationssystem fungiert als Navigationshilfe und verwendet einen Computer und Bewegungssensoren (Beschleunigungsmesser), um durch Koppelnavigation kontinuierlich die Position, Ausrichtung sowie Richtungsgeschwindigkeit und -geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts unabhängig von externen Referenzpunkten zu bestimmen. Verwandte Begriffe umfassen Trägheitsleitsysteme, Trägheitsreferenzplattformen und zahlreiche andere Bezeichnungen.
Ein Beschleunigungsmesser allein reicht nicht aus, um Höhenschwankungen über große vertikale Entfernungen präzise zu messen, bei denen die Gravitationsabschwächung ausgeprägt ist, wie sie bei Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Flugzeugen und Raketen beobachtet wird. Wenn ein Gravitationsgradient vorhanden ist, weisen die zugehörigen Kalibrierungs- und Datenreduktionsverfahren numerische Instabilität auf.
Transport
Beschleunigungsmesser werden zur Apogäumserkennung sowohl im professionellen als auch im Amateur-Raketenbereich eingesetzt.
Beschleunigungsmesser sind zusätzlich in Intelligent Compaction (IC)-Walzen integriert. Darüber hinaus arbeiten Beschleunigungsmesser in Verbindung mit Gyroskopen in Trägheitsnavigationssystemen.
Beschleunigungsmesser für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden häufig in Airbag-Auslösesysteme in modernen Automobilen integriert. Dabei erkennen diese Sensoren abrupte negative Beschleunigungen und ermitteln so Kollisionsgeschehen und -schwere. Darüber hinaus nutzen elektronische Stabilitätskontrollsysteme Querbeschleunigungsmesser, um die Kurvenkräfte zu quantifizieren. Der umfassende Einsatz von Beschleunigungsmessern im Automobilsektor hat deren Herstellungskosten erheblich gesenkt. Eine weitere Automobilanwendung umfasst die Überwachung von Geräuschen, Vibrationen und Rauheit (NVH), Zustände, die den Komfort von Fahrer und Fahrgästen beeinträchtigen und auf zugrunde liegende mechanische Fehlfunktionen hinweisen können.
Neigezugsysteme verwenden Beschleunigungsmesser und Gyroskope, um den optimalen Neigungswinkel zu berechnen.
Vulkanologie
Moderne elektronische Beschleunigungsmesser sind in Fernerkundungsinstrumente zur aktiven Vulkanüberwachung integriert und erleichtern die Erkennung von Magmabewegungen.
Unterhaltungselektronik
Beschleunigungsmesser werden nach und nach in persönliche elektronische Geräte integriert, um die Ausrichtung des Geräts zu ermitteln, beispielsweise zur Einstellung des Bildschirms.
Ein Freifallsensor (FFS) ist ein Beschleunigungsmesser, der dazu dient, Fälle zu identifizieren, in denen ein System einen Fall- oder Freifallzustand durchläuft. Anschließend kann es Schutzmaßnahmen einleiten, wie z. B. das Parken des Lese-/Schreibkopfs einer Festplatte, wodurch das Risiko eines Kopfabsturzes und eines daraus resultierenden Datenverlusts bei einem Aufprall verringert wird. Diese Technologie ist in zahlreichen gängigen Computer- und Unterhaltungselektronikprodukten verschiedener Hersteller integriert. Darüber hinaus werden FFS-Einheiten in bestimmten Datenloggern eingesetzt, um den Umschlag von Schiffscontainern zu überwachen. Die Dauer des freien Falls wird zur Berechnung der Fallhöhe und zur Schätzung der Aufprallkraft verwendet, der das Paket ausgesetzt ist.
Bewegungseingabe
Beschleunigungsmesser sind in bestimmte Smartphones, digitale Audioplayer und persönliche digitale Assistenten integriert, um die Steuerung der Benutzeroberfläche zu erleichtern. Häufig ermöglichen diese Sensoren die Anzeige von Inhalten entweder im Quer- oder Hochformat und passen sich dabei der physischen Halteposition des Geräts an. Apple hat Beschleunigungsmesser konsequent in alle Generationen seiner iPhone-, iPad- und iPod touch-Geräte sowie in jedes iPod nano-Modell ab der vierten Generation integriert. Über die Anpassung der Displayausrichtung hinaus können Beschleunigungsmesser in Mobilgeräten in Verbindung mit bestimmten Anwendungen auch als Schrittzähler fungieren.
ACN-Systeme (Automatic Collision Notification) nutzen auch Beschleunigungsmesser, um nach einem Fahrzeugunfall Notrufe auszulösen. Zu den bemerkenswerten ACN-Implementierungen gehören der OnStar AACN-Dienst, der 911 Assist von Ford Link, Safety Connect von Toyota, Lexus Link und BMW Assist. Darüber hinaus bieten zahlreiche mit Beschleunigungsmessern ausgestattete Smartphones herunterladbare ACN-Software an. Die Aktivierung von ACN-Systemen erfolgt bei der Erkennung von Beschleunigungen, die auf eine Kollision hinweisen.
In Fahrzeugsystemen zur elektronischen Stabilitätskontrolle (ESC) werden Beschleunigungsmesser eingesetzt, um die Echtzeitbewegung des Fahrzeugs zu quantifizieren. Eine Zentraleinheit vergleicht dann diese tatsächliche Bewegung mit den Lenk- und Gaspedaleingaben des Fahrers. Der ESC-Computer kann gezielt einzelne Räder bremsen oder die Motorleistung reduzieren, um Diskrepanzen zwischen Fahrerbefehlen und der dynamischen Reaktion des Fahrzeugs zu verringern. Dieser Eingriff trägt dazu bei, ein Schleudern oder Überschlagen des Fahrzeugs zu verhindern.
Bestimmte Schrittzähler sind mit Beschleunigungsmessern ausgestattet, um im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Sensoren eine höhere Präzision bei der Messung der Schrittzahl und der zurückgelegten Strecke zu erreichen.
Die Nintendo Wii-Videospielkonsole verfügt über eine Wii-Fernbedienung, die über einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser verfügt, der hauptsächlich für bewegungsbasierte Eingaben konzipiert ist. Benutzer können außerdem einen optionalen bewegungsempfindlichen Nunchuk-Aufsatz erwerben, der die unabhängige Erfassung von Bewegungseingaben mit beiden Händen ermöglicht. Diese Technologie ist auch im Nintendo 3DS-System implementiert.
Schlafphasenwecker nutzen Beschleunigungssensoren, um die Bewegungen des Schläfers zu überwachen und so das Aufwachen in Nicht-REM-Schlafphasen zu erleichtern und so eine sanftere und effektivere Erregung zu erreichen.
Tonaufnahme
Mikrofone und Trommelfelle fungieren als Membranen, die auf Schwankungen des Luftdrucks reagieren. Da diese Schwingungen eine Beschleunigung induzieren, können Beschleunigungsmesser zur Tonaufzeichnung eingesetzt werden. Eine Studie aus dem Jahr 2012 hat gezeigt, dass Beschleunigungsmesser, wie sie beispielsweise in Smartphones integriert und am Brustbein befestigt sind, Stimmen in 93 % der alltäglichen Situationen erkennen können.
Umgekehrt können präzise konstruierte Geräusche Beschleunigungsmesser dazu veranlassen, fehlerhafte Daten zu generieren. Eine Studie, die 20 Modelle von Smartphone-Beschleunigungsmessern für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) evaluierte, ergab, dass die meisten anfällig für solche Manipulationen waren.
Orientierungserkennung
Zahlreiche Geräte des 21. Jahrhunderts verwenden Beschleunigungsmesser, um die Bildschirmausrichtung basierend auf der physischen Ausrichtung des Geräts anzupassen und so Übergänge zwischen Hoch- und Querformat zu erleichtern. Diese Funktionalität ist in vielen Tablet-PCs, ausgewählten Smartphones und Digitalkameras üblich. Insbesondere der Amida Simputer, ein 2004 eingeführtes Handheld-Linux-Gerät, war der erste kommerzielle Handheld mit integriertem Beschleunigungsmesser. Diese Integration ermöglichte verschiedene gestenbasierte Interaktionen, wie z. B. Umblättern, Bildzoomen, Moduswechsel und mehrere grundlegende gestengesteuerte Spiele.
Bis Januar 2009 verfügten fast alle neu auf den Markt gebrachten Mobiltelefone und Digitalkameras über mindestens einen Neigungssensor und häufig einen Beschleunigungsmesser, um eine automatische Bilddrehung, bewegungsempfindliche Minispiele und Verwacklungskorrektur während des Fotografierens zu ermöglichen.
Bildstabilisierung
Camcorder nutzen Beschleunigungsmesser zur Bildstabilisierung. Dies erreichen sie entweder durch physikalische Anpassung optischer Elemente, um unbeabsichtigte Bewegungen im Lichtweg zum Sensor auszugleichen, oder durch digitale Verschiebung des Bildes, um erkannte Bewegungen abzuschwächen. Bestimmte Fotokameras verwenden Beschleunigungsmesser, um Unschärfen zu vermeiden und die Bildaufnahme zu verzögern, wenn eine Kamerabewegung erkannt wird. Das Bild wird nur aufgenommen, wenn die Kamera stationär ist, auch wenn dies nur vorübergehend ist (z. B. während einer Vibration). Der Glogger VS2, eine Telefonanwendung, die mit Symbian-basierten Telefonen mit Beschleunigungsmessern wie dem Nokia N96 kompatibel ist, ist ein Beispiel für diese Technologie. Darüber hinaus verfügen einige Digitalkameras über Beschleunigungsmesser, um die Fotoausrichtung während der Aufnahme zu ermitteln und die Bilddrehung während der Betrachtung zu erleichtern.
Geräteintegrität
Zahlreiche Laptops verfügen über Beschleunigungsmesser, um Stürze zu erkennen. Sobald ein Herunterfallen erkannt wird, werden die Festplattenköpfe automatisch geparkt, um Datenverlust und mögliche Schäden an den Köpfen oder der Festplatte durch den nachfolgenden Aufprall zu verhindern.
Gravimetrie
Ein Gravimeter, auch Gravitometer genannt, ist ein Instrument, das in der Gravimetrie zur Messung des lokalen Gravitationsfeldes eingesetzt wird. Während Gravimeter grundsätzlich eine Art Beschleunigungsmesser sind, zeichnen sie sich durch die integrierte Schwingungsisolierung und Signalverarbeitung aus, um der Anfälligkeit von Standardbeschleunigungsmessern gegenüber allen Formen von Schwingungsbeschleunigungen, einschließlich Rauschen, entgegenzuwirken. Obwohl sie ein ähnliches grundlegendes Konstruktionsprinzip wie Beschleunigungsmesser haben, sind Gravimeter auf eine deutlich höhere Empfindlichkeit ausgelegt und ermöglichen die Erkennung kleinster Schwankungen der Erdschwerkraft bis hinunter zu 1 g. Im Gegensatz dazu sind viele andere Beschleunigungsmesser für die Messung von Größenordnungen von 1000 g oder mehr ausgelegt und führen häufig mehrachsige Messungen durch. Gravimeter haben in der Regel weniger strenge Anforderungen an die zeitliche Auflösung, was eine verbesserte Auflösung durch Ausgabeverarbeitung mit einer erweiterten „Zeitkonstante“ ermöglicht.
Arten von Beschleunigungsmessern
Exploits und Datenschutzbedenken
Beschleunigungsmesserdaten, auf die Anwendungen von Drittanbietern häufig auf zahlreichen Mobilgeräten ohne ausdrückliche Genehmigung des Benutzers zugreifen können, wurden genutzt, um durch die Analyse aufgezeichneter Bewegungsmuster umfassende Benutzerinformationen abzuleiten. Diese abgeleiteten Daten können Details wie Fahrverhalten, Grad der Vergiftung, Alter, Geschlecht, Touchscreen-Interaktionen und geografische Koordinaten umfassen. Wenn solche Schlussfolgerungen ohne Wissen oder Zustimmung des Benutzers durchgeführt werden, wird die Praxis als Inferenzangriff kategorisiert. Darüber hinaus ist eine beträchtliche Anzahl von Smartphones potenziell anfällig für Software-Ausnutzung durch Manipulation von Beschleunigungsmesserwerten.