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Mit Barometern eine Höhenauflösung von bis zu 10 cm erreichen – welche können das?
Wenn man sich ausschließlich auf ein gewöhnliches Barometer (ob piezoresistiv, kapazitiv oder MEMS-Siliziumresonanztyp) verlässt, ist es nahezu unmöglich, in beliebigen Umgebungen stabil und zuverlässig eine Höhenauflösung von 10 Zentimetern zu realisieren.
Warum es so schwer ist
1. Physikalische Grenze: die Druck-Höhe-Beziehung
Der normale atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt etwa 101.325 Pa. Unter normalen Bedingungen auf Meereshöhe verringert eine Erhöhung der Höhe um 10 Zentimeter den atmosphärischen Druck um etwa 0,012 Pa. Das ist eine unglaublich kleine Änderung. Im Vergleich dazu kann die Luftstörung, die dadurch verursacht wird, dass ein Erwachsener beiläufig durch einen Raum geht, leicht Druckänderungen von mehreren Pascal hervorrufen. Das Öffnen oder Schließen von Türen und Fenstern, das Ein- und Ausschalten einer Klimaanlage oder sogar eine leichte Brise verursachen Druckschwankungen von weit mehr als 0,012 Pa.
2. Einschränkungen der Sensoren selbst
Rauschen und Auflösung: Obwohl viele Hochleistungs-MEMS-Barometer (z. B. WF280A, WF5837C) eine sehr feine digitale Auflösung (z. B. 0,01 Pa) bieten, bedeutet dies nicht, dass ihre Genauigkeit oder Stabilität tatsächlich diesem Niveau entspricht. Internes Sensorrauschen, Temperaturdrift und Langzeitstabilität führen alle zu Fehlern – und diese Fehler sind typischerweise weitaus größer als der Druckunterschied, der einer Höhenänderung von 10 Zentimetern entspricht.
Absolute Genauigkeit vs. relative Genauigkeit: Barometer werden normalerweise nach absoluter Genauigkeit bewertet (zum Beispiel ±50 Pa), was etwa ±0,5 Metern Höhe entspricht. Wichtiger für diesen Anwendungsfall ist die relative Genauigkeit oder Kurzzeitstabilität – also wie genau man Höhenänderungen über kurze Zeiträume messen kann. Selbst die besten MEMS-Barometer für Verbraucher werden unter idealen statischen Bedingungen Schwierigkeiten haben, dauerhaft eine relative Höhenauflösung von mehr als etwa 20–30 Zentimetern zu erreichen.
In Aufzugs-Blackbox-Projekten wurde der WF5837C02BA von WF zur Berechnung des Aufzugs verwendet
Zur Unterstützung der GPS-Ortung von Mobiltelefonen oder von Gesundheits-Apps (z. B. zur Aufzeichnung von Stockwerken) werden häufig Produkte mit geringem Stromverbrauch wie der WF280A verwendet.
Welche „Barometer“ oder technischen Ansätze können diesem Ziel nahe kommen oder es erreichen?
Obwohl ein einzelnes gewöhnliches Barometer nicht ausreicht, können Sie mit speziellen Designs, Sensorfusion oder unkonventionellen Techniken eine Höhenauflösung von 10 Zentimetern annähern oder sogar erreichen:
1. Differenzdruck-Höhenmesssysteme (mit zwei Sensoren). Dies ist die wahrscheinlichste Methode, um in bestimmten Szenarien eine ultrahohe Präzision zu erreichen.
● Prinzip: Verwenden Sie zwei hochpräzise Drucksensoren – einen als Referenzstation (auf einer bekannten Höhe befestigt) und den anderen als mobile Station (montiert auf dem Gerät, dessen Höhe Sie messen möchten). Das System liest beide Sensoren in Echtzeit aus und berechnet die Differenz.
● Warum es funktioniert: Durch die Berechnung der Differenz wird eine Menge Gleichtaktrauschen eliminiert – jene Umgebungsdruckschwankungen, die beide Sensoren beeinflussen (z. B. Wetteränderungen, Zugluft usw.). Übrig bleibt der statische Druckunterschied zwischen den beiden Sensoren, der nur von ihrer relativen Höhe abhängt.
● Erreichbare Präzision: In Umgebungen mit geringen Interferenzen und wenn die Sensoren ziemlich nah beieinander sind (z. B. in Innenräumen, in einer Mine oder im selben Gebäude), kann ein solches System theoretisch eine relative Höhenauflösung im Zentimeter- oder sogar Millimeterbereich erreichen. Dieser Ansatz wird in der Forschung, bei industriellen Inspektionen und einigen speziellen UAV-Anwendungen verwendet.
2. Tiefenfusion mit einer IMU (Inertial Measurement Unit)
● Prinzip: Ein einzelnes Barometer ist anfällig für Luftströmungsstörungen, aber eine IMU (Beschleunigungsmesser und Kreisel) kann kurzfristige Bewegungs- und Lageänderungen – einschließlich Vertikalbeschleunigung – sehr präzise messen. Durch die Verwendung von Algorithmen wie einem Kalman-Filter zur Fusion von IMU-Kurzzeitmessungen mit der langfristigen absoluten Höhenreferenz des Barometers können Sie die Stärken beider Sensoren kombinieren.
● Wirkung: Die Fusion trägt dazu bei, Spitzen und Störungen in den Druckdaten zu glätten und sorgt für eine stabilere, gleichmäßigere Höhenschätzung in dynamischen Situationen (z. B. bei einem UAV im Flug oder einem sich bewegenden Telefon). In manchen Momenten oder über kurze Zeiträume kann dies Rückschlüsse bis auf die 10-Zentimeter-Skala ermöglichen, die Leistung hängt jedoch immer noch stark von der IMU-Qualität und dem Fusionsalgorithmus ab.
Abschluss
Wenn Sie also eine stabile, zuverlässige Höhenauflösung innerhalb von 10 Zentimetern benötigen, sollten Sie technische Lösungen in Betracht ziehen, die auf dem Prinzip der Differenzdruckmessung (oder einer hochwertigen Sensorfusion) basieren, anstatt sich auf ein einziges herkömmliches Barometer zu verlassen.
Die obige Einführung kratzt nur an der Oberfläche der Anwendungen der Drucksensortechnologie. Wir werden weiterhin die verschiedenen Arten von Sensorelementen untersuchen, die in verschiedenen Produkten verwendet werden, wie sie funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie haben. Wenn Sie detailliertere Informationen zu den hier besprochenen Themen wünschen, können Sie sich die entsprechenden Inhalte weiter unten in diesem Handbuch ansehen. Wenn Sie unter Zeitdruck stehen, können Sie auch hier klicken, um die Details dieser Leitfäden herunterzuladen PDF -Daten des Luftdrucksensorprodukts.
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