Wie Festkörperkreisel in modernen Systemen funktionieren

Mit einem Festkörperkreisel können Sie die Drehung oder Richtung messen. Sie werden keine drehenden Teile im Inneren sehen. Dieses Gerät nutzt kleine vibrierende Teile und den Coriolis-Effekt. Es misst, wie Sie das Gerät bewegen. Viele moderne Geräte nutzen diese Technologie. Sie macht sie intelligenter und stabiler.

Prinzipien des Festkörperkreisels

Coriolis-Effekt

Wenn Sie einen Festkörperkreisel bewegen, nutzt er eine Kraft namens Coriolis-Effekt. Diese Kraft entsteht, wenn etwas wackelt und man es dreht. Die Erschütterung will in dieselbe Richtung gehen, aber durch die Drehung ändert sich die Richtung. Der Festkörperkreisel kann diese Änderung erkennen. Stellen Sie sich vor, Sie gehen direkt auf ein sich drehendes Karussell. Sie haben das Gefühl, zur Seite geschoben zu werden. Der Kreisel spürt diesen Schub in seinen winzigen Teilen.

Vibrierende Strukturen

In einem Festkörperkreisel befinden sich winzige Teile, die sehr schnell wackeln. Diese Teile können kleine Stäbchen oder Ringe sein. Wenn Sie das Gerät drehen, ändert sich die Schwingung aufgrund des Coriolis-Effekts. Sensoren im Inneren des Kreisels nehmen diese Veränderungen wahr. Das Gerät wandelt dies dann in Zahlen um, die man verwenden kann.

Viele Festkörperkreisel verwenden die MEMS-Technologie. MEMS bedeutet Mikro-Elektro-Mechanische Systeme. Mit MEMS können Ingenieure sehr kleine Kreisel herstellen. Man kann sie in Handys, Drohnen und Autos einsetzen. Dank MEMS kann der Kreisel auch mit anderen Sensoren wie Beschleunigungs- und Magnetometern zusammenarbeiten.

Hier ist eine einfache Tabelle, die zeigt, wie die Teile zusammenarbeiten:

Ein Halbleiterkreisel verwendet diese Teile zur Messung der Drehung. Sie erhalten schnelle und korrekte Ergebnisse. Sie brauchen keine sich drehenden Räder oder schwere Gegenstände.

Wichtige Komponenten

Kreisel-Element

Die Kreiselelement ist der Hauptsensor in einem Halbleiterkreisel. Er stellt fest, wenn sich etwas dreht. Dieser Teil hat ein winziges Teil, das vibriert, wie ein kleiner Stab oder Ring. Wenn Sie Ihr Gerät bewegen, spürt das Kreiselelement den Coriolis-Effekt. Es merkt, wenn sich die Art und Weise, wie es wackelt, ändert. Das Kreiselelement wandelt dies in ein elektrisches Signal um.

Anmerkung: Das Gyro-Element zeigt Ihnen an, wie schnell und in welche Richtung sich Ihr Gerät dreht.

Dieses Teil ist in vielen Geräten zu finden. Telefone, Game-Controller und Drohnen verwenden alle Gyro-Elemente, um Bewegungen zu erkennen. Das Gyro-Element arbeitet schnell und gibt dir sofort eine Rückmeldung.

Beschleunigungsmesser

Ein Beschleunigungsmesser prüft, wie schnell Ihr Gerät beschleunigt oder verlangsamt wird. Er erfasst Bewegungen in geraden Linien, nicht nur Drehungen. Man kann ihn sich als einen Sensor vorstellen, der jede Erschütterung, jede Neigung und jeden Sturz registriert. Der Beschleunigungsmesser und die Gyro-Elemente arbeiten zusammen, um alle Arten von Bewegungen Ihres Geräts anzuzeigen.

Hier ist eine einfache Liste der Funktionen eines Beschleunigungsmessers:

• Findet Änderungen der Geschwindigkeit
• Überprüft die Neigung oder den Winkel
• Bemerkt Tropfen oder Schütteln

Wenn du ein Rennspiel auf deinem Handy spielst, hilft dir der Beschleunigungsmesser beim Lenken, indem er merkt, wie du das Gerät neigst. Er hilft auch dabei, den Bildschirm in die richtige Richtung zu halten.

Magnetometer

Ein Magnetometer funktioniert wie ein digitaler Kompass. Es misst das Magnetfeld der Erde. Dieser Sensor zeigt Ihnen, wo Norden ist. Das Magnetometer arbeitet mit dem Gyro-Element und dem Beschleunigungsmesser zusammen, damit Sie die Richtung bestimmen können.

Sie verwenden ein Magnetometer, wenn Sie eine Karten-App öffnen und sehen, in welche Richtung Sie schauen. Es hilft Ihrem Gerät, seine Position zu bestimmen, auch wenn Sie sich nicht bewegen.

Orientierung Verarbeitung

Sensor-Fusion

Sie fragen sich vielleicht, woher Ihr Gerät seine Bewegungen kennt. Es verwendet die so genannte Sensorfusion. Sensorfusion bedeutet, dass Ihr Gerät die Daten von drei Sensoren kombiniert. Die Kreiselelement, Beschleunigungsmesser und Magnetometer helfen alle. Jeder Sensor liefert einen anderen Teil der Antwort. Wenn Sie die Daten zusammenfügen, erhalten Sie ein vollständiges Bild der Orientierung.

• Die Kreiselelement sagt Ihnen, wie schnell und in welche Richtung Sie abbiegen.
• Die Beschleunigungsmesser wird angezeigt, wenn Sie das Gerät neigen, schütteln oder fallen lassen.
• Die Magnetometer zeigt nach Norden, wie ein digitaler Kompass.

Das Telefon oder der Controller verwendet mathematische Verfahren, um diese Signale zu mischen. Anhand dieser Berechnungen kann Ihr Gerät erkennen, ob Sie sich drehen, neigen oder geradeaus bewegen. Sie erhalten eine reibungslose und korrekte Verfolgung der Bewegung. In einem Rennspiel zum Beispiel hilft die Sensorfusion Ihrem Auto, sich zu drehen, wenn Sie Ihr Telefon neigen.

Drift-Korrektur

Sensoren können mit der Zeit kleine Fehler machen. Diese Fehler können sich summieren und eine Drift verursachen. Drift bedeutet, dass Ihr Gerät denkt, es bewege sich, obwohl es das nicht tut. Sie möchten nicht, dass Ihr Spiel oder Ihre Karte durcheinander gerät.

Die Driftkorrektur hilft, diese Fehler zu beheben. Ihr Gerät prüft die Signale aller drei Sensoren. Wenn der Kreisel anzeigt, dass Sie sich drehen, die anderen Sensoren aber nicht, weiß Ihr Gerät, dass ein Problem vorliegt. Es nutzt dies, um den Messwert zu korrigieren und anzupassen.

Hier ist eine einfache Tabelle, die zeigt, wie die Driftkorrektur funktioniert:

Mit der Driftkorrektur bleibt Ihr Gerät korrekt. Sie erhalten Ergebnisse, auf die Sie sich verlassen können, egal ob Sie Spiele spielen, Karten verwenden oder eine Drohne fliegen.

Festkörperkreisel vs. traditionelle Kreisel

Mechanische Kreisel

Sie haben vielleicht schon einmal einen Kreisel gesehen. Ein mechanischer Kreisel funktioniert ganz ähnlich. Er verwendet ein schweres Rad, das sich sehr schnell innerhalb eines Rahmens dreht. Wenn Sie den Rahmen drehen, versucht das Rad, in der gleichen Richtung zu bleiben. Auf diese Weise kann man die Rotation messen. Mechanische Kreisel haben bewegliche Teile und können daher mit der Zeit verschleißen. Außerdem müssen sie vorsichtig behandelt werden, da sie durch Stöße oder Stürze beschädigt werden können.

Anmerkung: Mechanische Kreisel sind groß und schwer. Man findet sie oft in alten Flugzeugen oder Schiffen.

Laser-Ring-Kreisel

Laser-Ringkreisel verwenden Licht anstelle von sich drehenden Rädern. Man schickt einen Laserstrahl auf eine geschlossene Bahn, die in der Regel die Form eines Rings hat. Wenn Sie das Gerät drehen, ändert sich die Bahn, und die Lichtwellen verschieben sich. Sensoren messen diese Verschiebung, um festzustellen, um wie viel Sie sich gedreht haben. Laser-Ringkreisel haben keine beweglichen Teile und halten daher länger als mechanische Kreisel. Sie liefern sehr genaue Ergebnisse, sind aber sehr teuer und brauchen besondere Pflege.

Hier ist eine einfache Tabelle zum Vergleich der Typen:

Vorteile

A Halbleiterkreisel bietet Ihnen viele Vorteile. Sie erhalten einen kleinen, leichten Sensor, der in Ihr Telefon oder Ihre Drohne passt. Sie müssen sich keine Sorgen machen, dass bewegliche Teile kaputt gehen. Außerdem erhalten Sie schnelle und genaue Messwerte. Festkörper-Gyros verbrauchen weniger Strom, sodass Ihre Geräte länger mit einer einzigen Ladung auskommen. Sie können sich darauf verlassen, dass sie in vielen Situationen gut funktionieren, vom Spielen bis zum Fliegen.

Ein Halbleiterkreisel hat winzige Teile, die vibrieren. Er nutzt den Coriolis-Effekt, um Bewegungen zu erfassen. Diese Technologie arbeitet schnell und liefert korrekte Ergebnisse. Im Inneren befinden sich keine schweren drehenden Räder. Der Sensor ist klein und passt in viele Geräte. Er hält lange Zeit, ohne kaputt zu gehen. Handys und Drohnen verwenden Halbleiterkreisel um gut zu funktionieren. Sie können sich darauf verlassen, dass er jeden Tag Richtung und Bewegung erkennt.