Schlüsseltechnologie Sensorfusion

Da rein statische Neigungssensoren ausschließlich auf der Auswertung der Erdgravitation mittels eines Beschleunigungssensors basieren, können sie Beschleunigungen nicht eindeutig von einer tatsächlichen Winkeländerung unterscheiden. Die Folge daraus sind instabile, springende oder verfälschte Messwerte, insbesondere während schneller Bewegungen oder Richtungsänderungen. Für Anwendungen, in denen präzise Neigungsinformationen auch während der Bewegung erforderlich sind, bedarf es daher einer beschleunigungskompensierten Lösung.

Moderne dynamische Neigungssensoren setzen hierzu auf das Prinzip der Inertialen Messeinheit (IMU). Sie kombiniert einen dreiachsigen Beschleunigungssensor mit einem dreiachsigen Gyroskop und vereint damit zwei komplementäre Messprinzipien in einem System. Der Beschleunigungssensor liefert eine absolute Referenz zur Erdgravitation und ermöglicht eine stabile Winkelbestimmung im statischen Zustand. Das Gyroskop hingegen misst die Winkelgeschwindigkeit und reagiert äußerst präzise auf schnelle Bewegungen.

Beide Technologien besitzen jedoch auch physikalisch bedingte Grenzen: Während der Beschleunigungssensor empfindlich auf dynamische Beschleunigungen reagiert, unterliegt das Gyroskop bei zeitlicher Integration einer Drift. Erst durch die intelligente Kombination beider Messgrößen entsteht ein robustes Gesamtsystem für industrielle Anwendungen, wie es ifm entwickelt hat.

Intelligent kombiniert

Die Verknüpfung der Sensordaten erfolgt über eine Sensorfusion, die typischerweise auf einem Kalman-Filter basiert. Dieser mathematische Algorithmus schätzt kontinuierlich den aktuellen Neigungswinkel sowie systembedingte Offset-Anteile und bewertet fortlaufend die Qualität der einzelnen Messsignale. Abhängig von der aktuellen Bewegungssituation wird die Gewichtung zwischen Beschleunigungs- und Gyroskop-Signal automatisch angepasst: Unter ruhigen Bedingungen dominiert das gravitationsbasierte Signal des Beschleunigungssensors, während bei dynamischen Bewegungen das Gyroskop stärker berücksichtigt wird, um störende Beschleunigungseinflüsse zu kompensieren. Dieser adaptive Ansatz ermöglicht eine stabile und gleichzeitig schnelle Winkelbestimmung in Echtzeit.

In der Praxis lassen sich mit solchen Systemen abhängig von Applikation und Einbausituation Genauigkeiten im Bereich von kleiner ±0,25 ° im statischen Betrieb und etwas besser als ±0,5 ° unter dynamischen Bedingungen erreichen. Die Ausgabe der Neigungswerte erfolgt typischerweise als Pitch- und Roll-Winkel, sodass sie direkt in Steuerungs- oder Regelungssysteme integriert werden können.

Mechanisch robust

Die neuen Basisvarianten der JBC-Serie für horizontale und vertikale Einbaulagen. © ifm diagnostic

Neben der Messperformance spielen im industriellen Umfeld weitere Faktoren eine entscheidende Rolle. Neigungssensoren müssen mechanisch robust ausgelegt sein, um hohen Schock- und Vibrationsbelastungen standzuhalten. Schutzarten für raue Umgebungen, Temperaturstabilität sowie Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Staub oder Reinigungsprozesse sind ebenso relevant wie eine einfache elektrische Integration. Industrielle Schnittstellen wie IO-Link oder CAN ermöglichen eine komfortable Parametrierung, Diagnosefunktionen und eine nahtlose Einbindung in bestehende Automatisierungsarchitekturen.

Typische Einsatzbereiche der dynamischen Neigungsmessung finden sich überall dort, wo Winkelinformationen auch während der Bewegung zuverlässig benötigt werden. Dazu zählen Intralogistiksysteme, fahrerlose Transportsysteme, Bau- und Erdbewegungsmaschinen, Land- und Forstmaschinen sowie Arbeitsbühnen oder Nivelliersysteme. In vielen dieser Anwendungen dienen Neigungssignale nicht nur der Anzeige, sondern sind integraler Bestandteil von Regelkreisen oder sicherheitsrelevanten Funktionen.

Einfach für den Anwender

Die dynamische Neigungsmessung stellt somit einen entscheidenden Technologiesprung gegenüber rein statischen Lösungen dar. Durch die Kombination von Beschleunigungssensor und Gyroskop und die intelligente Sensorfusion lassen sich stabile und hochgenaue Winkelwerte auch unter realen Betriebsbedingungen erfassen. Für industrielle Anwendungen bedeutet dies eine höhere Prozesssicherheit, eine verbesserte Regelgüte und eine zuverlässige Funktion auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Damit entwickelt sich die dynamische Neigungssensorik zunehmend zur Schlüsseltechnologie moderner, bewegter Maschinenumgebungen.

Maximilian Hell ist Produktmanager für Neigungssensorik bei ifm diagnostic. © ifm

ifm kombiniert für das System einen performanten dynamischen Neigungssensor der ‚JBC‘-Serie mit einem IO-Link Master. Die Parametrierung inklusive der Auswahl vordefinierter Applikationsprofile für unterschiedliche Bewegungsdynamiken erfolgt über IO-Link. Ohne vorhandene IO-Link-Infrastruktur bleibt die Inbetriebnahme dennoch einfach, indem der Sensor zunächst in der gewünschten Ausgangslage (horizontal oder vertikal) montiert wird und anschließend über die integrierte Teach-Taste der Referenzwinkel ‚genullt‘ wird.

ifm auf der Hannover Messe 2026: Halle 27, Stand D24