Beschleunigungsmesser vs. Gyroskop: Was ist der Unterschied?
Um die Position und Orientierung eines Objekts zu bestimmen, werden viele verschiedene Sensoren eingesetzt. Die gängigsten dieser Sensoren sind das Gyroskop und der Beschleunigungssensor. Obwohl sie einen ähnlichen Zweck haben, messen sie unterschiedliche Dinge. Wenn sie in einem einzigen Gerät kombiniert werden, können sie eine sehr leistungsfähige Reihe von Informationen erzeugen.
Was ist ein Gyroskop?
Ein Gyroskop ist ein Gerät, das die Schwerkraft der Erde nutzt, um die Orientierung zu bestimmen. Seine Konstruktion besteht aus einer frei drehenden Scheibe, dem Rotor, der auf einer Drehachse in der Mitte eines größeren und stabileren Rades montiert ist. Während sich die Achse dreht, bleibt der Rotor stationär, um die zentrale Schwerkraft und damit die Richtung „nach unten“ anzuzeigen.“
„Ein typischer Typ von Gyroskopen wird hergestellt, indem ein relativ massiver Rotor in drei Ringen, die Kardanringe genannt werden, aufgehängt wird“, heißt es in einem Studienführer der Georgia State University. „Die Aufhängung jedes dieser Rotoren auf hochwertigen Lagerflächen stellt sicher, dass nur ein sehr geringes Drehmoment auf den inneren Rotor ausgeübt werden kann.“
Gyroskope wurden erstmals im 19. Jahrhundert von dem französischen Physiker Jean-Bernard-Léon Foucault erfunden und benannt. Erst 1908 entwickelte der deutsche Erfinder H. Anschütz-Kaempfe laut Encyclopedia Britannica den ersten funktionsfähigen Kreiselkompass. Er wurde für den Einsatz in einem Tauchboot entwickelt. Im Jahr 1909 wurde er dann für den ersten Autopiloten verwendet.
Was ist ein Beschleunigungsmesser?
Ein Beschleunigungsmesser ist ein kompaktes Gerät zur Messung der nichtgravitativen Beschleunigung. Wenn das Objekt, in das er integriert ist, aus dem Stillstand in eine beliebige Geschwindigkeit übergeht, ist der Beschleunigungsmesser so konzipiert, dass er auf die mit dieser Bewegung verbundenen Vibrationen reagiert. Er verwendet mikroskopisch kleine Kristalle, die unter Spannung stehen, wenn Vibrationen auftreten, und aus dieser Spannung wird eine Spannung erzeugt, um einen Messwert für die Beschleunigung zu erzeugen. Beschleunigungsmesser sind wichtige Komponenten für Geräte, die Fitness und andere Messungen in der quantifizierten Selbstbewegung verfolgen.
Der erste Beschleunigungsmesser wurde Atwood-Maschine genannt und wurde 1783 von dem englischen Physiker George Atwood erfunden, so das Buch „Practical MEMS“ von Ville Kaajakari.
Verwendung eines Gyroskops oder Beschleunigungssensors
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Geräten ist einfach: Das eine kann Rotation erfassen, das andere nicht. In gewisser Weise kann der Beschleunigungsmesser die Ausrichtung eines stationären Gegenstands in Bezug auf die Erdoberfläche messen. Bei der Beschleunigung in eine bestimmte Richtung ist der Beschleunigungsmesser nicht in der Lage, zwischen dieser und der Beschleunigung durch die Erdanziehung zu unterscheiden. Betrachtet man dieses Handicap beim Einsatz in einem Flugzeug, verliert der Beschleunigungsmesser schnell an Attraktivität.
Das Gyroskop erhält seine Effektivität dadurch, dass es die Drehrate um eine bestimmte Achse messen kann. Bei der Messung der Drehrate um die Rollachse eines Flugzeugs ermittelt es einen aktuellen Wert, bis sich das Objekt stabilisiert. Mit Hilfe des Drehimpulsprinzips hilft das Gyroskop, die Orientierung anzuzeigen. Im Vergleich dazu misst der Beschleunigungsmesser die lineare Beschleunigung auf der Basis von Vibrationen.
Der typische zweiachsige Beschleunigungsmesser gibt dem Benutzer die Richtung der Schwerkraft in einem Flugzeug, Smartphone, Auto oder einem anderen Gerät an. Im Vergleich dazu soll ein Gyroskop eine Winkellage basierend auf dem Prinzip der Raumsteifigkeit bestimmen. Die Anwendungen der beiden Geräte unterscheiden sich trotz ihres ähnlichen Zwecks recht drastisch. Ein Gyroskop wird z. B. in der Navigation von unbemannten Flugzeugen, Kompassen und großen Booten eingesetzt und dient letztlich der Stabilität in der Navigation. Beschleunigungssensoren sind ebenso weit verbreitet und finden sich in der Technik, im Maschinenbau, in der Hardware-Überwachung, in der Gebäude- und Strukturüberwachung, in der Navigation, im Transportwesen und sogar in der Unterhaltungselektronik.
Das Auftauchen des Beschleunigungssensors auf dem Markt der Unterhaltungselektronik, mit der Einführung von so weit verbreiteten Geräten wie dem iPhone, das ihn für die eingebaute Kompass-App nutzt, hat seine allgemeine Popularität in allen Bereichen der Software erleichtert. Die Bestimmung der Bildschirmausrichtung, die Funktion als Kompass und das Rückgängigmachen von Aktionen durch einfaches Schütteln des Smartphones sind einige grundlegende Funktionen, die auf das Vorhandensein eines Beschleunigungssensors angewiesen sind. In den letzten Jahren hat sich die Anwendung in der Unterhaltungselektronik auch auf Laptops ausgedehnt.
Sensoren im Einsatz
Die Unterschiede zwischen diesen Sensoren lassen sich am besten in der realen Welt erkennen. Beschleunigungssensoren werden verwendet, um die Beschleunigung zu bestimmen, wobei ein dreiachsiger Beschleunigungssensor die Ausrichtung einer Plattform relativ zur Erdoberfläche ermitteln kann. Sobald sich die Plattform jedoch in Bewegung setzt, wird die Interpretation der Messwerte komplizierter. Bei einem freien Fall zum Beispiel würde der Beschleunigungsmesser null Beschleunigung anzeigen. Bei einem Flugzeug, das für eine Kurve einen Neigungswinkel von 60 Grad einnimmt, würde ein Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser eine vertikale Beschleunigung von 2 G registrieren, wobei die Neigung völlig ignoriert wird. Letztendlich kann ein Beschleunigungssensor nicht allein dazu verwendet werden, Flugzeuge richtig auszurichten.
Beschleunigungssensoren finden stattdessen in einer Vielzahl von Unterhaltungselektronikprodukten Verwendung. Zu den ersten Smartphones, die davon Gebrauch machten, gehörte zum Beispiel das iPhone 3GS von Apple mit der Einführung von Funktionen wie der Kompass-App und dem Schütteln zum Rückgängigmachen, so Wired.
Ein Gyroskop würde in einem Flugzeug verwendet, um bei der Anzeige der Rotationsrate um die Rollachse des Flugzeugs zu helfen. Wenn ein Flugzeug rollt, misst das Gyroskop Werte ungleich Null, bis sich die Plattform nivelliert, woraufhin es einen Nullwert ablesen würde, um die Richtung „unten“ anzuzeigen. Das beste Beispiel für das Ablesen eines Gyroskops ist die Höhenanzeige an typischen Flugzeugen. Sie wird durch eine kreisförmige Anzeige dargestellt, deren Bildschirm in zwei Hälften geteilt ist, wobei die obere Hälfte blau ist, um den Himmel anzuzeigen, und die untere Hälfte rot, um den Boden anzuzeigen. Wenn sich ein Flugzeug für eine Kurve neigt, verschiebt sich die Ausrichtung der Anzeige mit der Neigung, um die tatsächliche Richtung des Bodens zu berücksichtigen.
Der beabsichtigte Gebrauch jedes Geräts beeinflusst letztendlich die Praktikabilität in jeder verwendeten Plattform. Viele Geräte profitieren vom Vorhandensein beider Sensoren, viele sind jedoch auf die Verwendung nur eines Sensors angewiesen. Je nach Art der zu sammelnden Informationen – Beschleunigung oder Orientierung – liefert jedes Gerät unterschiedliche Ergebnisse.
Zusätzliche Berichterstattung von Alina Bradford, Mitarbeiterin bei Live Science.