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Piezoelektrische Beschleunigungssensoren sind aktive Geber, d.h. sie benötigen keine Energieversorgung zur Erzeugung des elektrischen Signals. Sie enthalten außerdem keine beweglichen Teile, die verschleißen. Das der Beschleunigung proportionale Ausgangssignal lässt sich durch elektronische Integration in der Schwinggeschwindigkeit und dem Schwingweg proportionale Signale umwandeln. Sie können bei extremen Temperaturen betrieben werden, werden jedoch durch eine hohe Ausgangsimpedanz eingeschränkt, die rauscharme Kabel und Ladungsverstärker zur Aufbereitung des Signals erfordert.
Das Herzstück eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors ist die Scheibe aus piezoelektrischem Material, gewöhnlich eine künstlich polarisierte ferroelektrische Keramik, die den piezoelektrischen Effekt zeigt. Wird das Material mechanisch belastet, durch Zug, Druck oder Schub, erzeugt es auf seinen Polflächen eine elektrische Ladung, die den angreifenden Kräften proportional ist.
Bauarten von Beschleunigungssensoren
Die in der Praxis eingesetzten Beschleunigungssensoren sind so aufgebaut, dass eine Masse eine Kraft auf das piezoelektrische Element ausübt, wenn der Aufnehmer einer Schwingung und damit einer Beschleunigung ausgesetzt ist Die Kraft ist dabei nach dem Newtonschen Gesetz (Kraft = Masse x Beschleunigung) der Beschleunigung direkt proportional.
MEHR ERFAHREN:
BESCHLEUNIGUNGSSENSOR
Für Frequenzen, die weit unter der Resonanzfrequenz des gesamten Feder-Masse-Systems liegen, ist die Beschleunigung der Schwingmasse gleich der Beschleunigung des Aufnehmersockels. Die Größe des Ausgangssignals ist daher proportional der Beschleunigung, die auf den Aufnehmer einwirkt.
Zwei Bauarten werden üblicherweise eingesetzt:
Der Kompressionstyp, bei dem die Schwingmasse eine Druckkraft auf das piezoelektrische Element ausübt, und der Schertyp, bei dem die Schwingmasse eine Scherkraft auf das piezoelektrische Element ausübt.
Piezoelektrische Beschleunigungsensor-Typen
Die meisten Hersteller bieten eine große Auswahl an Beschleunigungssensoren – was die Wahl eines geeigneten Sensors auf den ersten Blick nicht gerade einfach macht.
Es gibt jedoch einige „Universal“-Sensortypen, die den Großteil der Anforderungen erfüllen. Diese sind entweder mit oberen oder seitlichen Anschlüssen versehen und weisen Übertragungsfaktoren im Bereich von 1 bis 10 mV oder pC pro m/s2 auf. Die Uni-Gain® -Typen von Brüel & Kjær haben ganzzahlig normierte Übertragungsfaktoren (z.B. 1 oder 10 pC/ms-2, um das Kalibrieren des Messsystems zu vereinfachen.
CCLD/DeltaTron®- oder IEPE-Beschleunigungssensoren
CCLD-Beschleunigungssensoren (Constant Current Line Drive) oder IEPE-Beschleunigungssensoren (Integrated Electronics Piezo Electric) sind piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer mit integrierten Vorverstärkern, die Ausgangssignale in Form einer Spannungsmodulation auf der Stromversorgungsleitung abgeben.
Die IEPE-Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær verfügen über eine hohe Ausgangsempfindlichkeit, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und eine große Bandbreite, wodurch sie sowohl für allgemeine als auch für Hochfrequenz-Schwingungsmessungen geeignet sind.
Diese Beschleunigungssensoren sind Hochleistungsmessgeräte mit einer höheren Ausgangsempfindlichkeit als piezoelektrische Standard-Beschleunigungsaufnehmer (ohne integrierten Verstärker). Sie sind zum Schutz vor Verunreinigung durch die Umgebung hermetisch abgedichtet, weisen aufgrund der externen Konstantstromquelle eine geringe Anfälligkeit für Hochfrequenz- und elektromagnetische Strahlung und eine niedrige Ausgangsimpedanz auf. Der niederohmige Ausgang ermöglicht die Verwendung kostengünstiger Koaxialkabel für Beschleunigungssensoren.
Viele der übrigen Beschleunigungssensoren sind mehr auf spezielle Anwendungen ausgerichtet. So beispielsweise die Miniatur-Beschleunigungssensoren, die für hohe Schwingungspegel oder Hochfrequenzmessungen entwickelt wurden sowie für empfindliche Bauteile, Platten, etc. Sie wiegen nur circa 0,5 bis 2 g.
Weitere spezielle Aufnehmertypen sind für Simultanmessungen in drei zueinander senkrechten Ebenen, hohe Temperaturen, sehr niedrige Schwingungspegel, starke Schocks, das Kalibrieren anderer Beschleunigungssensoren durch Vergleich und die permanente Überwachung an Industriemaschinen optimiert.
Kennwerte von Beschleunigungssensoren - Übertragungsfaktor, Masse und Dynamikbereich
Der Übertragungsfaktor (die Empfindlichkeit) ist der erste Kennwert, der normalerweise betrachtet wird. Idealerweise wünschen wir uns einen hohen Ausgangspegel, aber hier müssen wir Kompromisse eingehen, da eine hohe Empfindlichkeit normalerweise ein relativ großes piezoelektrisches System und folglich einen relativ großen, schweren Aufnehmer mit sich bringt.
Unter normalen Umständen ist die Empfindlichkeit kein kritisches Problem, da moderne Vorverstärker darauf ausgelegt sind, diese Signale mit niedrigem Pegel zu akzeptieren. Die Masse der Beschleunigungsaufnehmers wirkt sich besonders bei Messungen an leichten Versuchsobjekten störend aus. Zusätzliche Masse kann die Schwingungen und Frequenzen an der Messstelle erheblich verändern.
Im Allgemeinen sollte die Masse des Beschleunigungssensors nicht größer als ein Zehntel der schwingenden Masse des Messobjekts sein, an das der Beschleunigungssensor gekoppelt wird.
Ist die Messung ungewöhnlich niedriger oder hoher Beschleunigungen erwünscht, sollte der Dynamikbereich des Beschleunigungssensors berücksichtigt werden. Die in der Zeichnung angegebene untere Grenze wird normalerweise nicht unmittelbar durch den Beschleunigungssensor selbst bestimmt, sondern ergibt sich aus dem elektrischen Rauschen der Verbindungskabel und des Verstärkerschaltkreises. Diese Grenze liegt bei Mehrzweckgeräten gewöhnlich bei etwa 0,01 m/s2.
Die oberer Grenze hängt von der konstruktiven Festigkeit des Beschleunigungssensors ab. Ein typischer Universal-Beschleunigungssensor verhält sich bis zu Beschleunigungen von 50.000 bis 100.000 m/s2 linear, was weit in den Bereich mechanischer Schocks hineinreicht. Ein speziell für die Messung von mechanischen Stößen entwickelter Beschleunigungssensor kann bis zu 1000 km/s2 (100000 g) Linearität zeigen.
Frequenzbereich von Beschleunigungssensoren
Mechanische Systeme speichern ihre Schwingungsenergie vorwiegend im relativ schmalen Frequenzband zwischen 10 Hz und 1000 Hz. Messungen werden jedoch bis zu etwa 10 kHz durchgeführt, weil es bei diesen hohen Frequenzen oft Schwingungsanteile gibt, die ebenfalls wichtig sind. Es ist also sicherzustellen, dass der Beschleunigungssensor auch für den betreffenden Frequenzbereich geeignet ist.
Der Frequenzbereich des vom Beschleunigungssensor gelieferten Ausgangssignals ist nach unten hin praktisch durch zwei Faktoren begrenzt. Tiefe Frequenzen werden durch den angeschlossenen Verstärker unterdrückt. Dies ist normalerweise kein Problem, weil dieser Grenzwert üblicherweise deutlich unter einem Hz liegt.
Schwankungen der Umgebungstemperatur können den Beschleunigungssensor beeinflussen. Bei modernen Scher-Beschleunigungssensoren ist dieser Einfluss jedoch sehr klein, und Messungen bis unter 1 Hz sind in normaler Umgebung noch möglich.
Die obere Grenze wird durch die Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems des Beschleunigungssensors selbst bestimmt. Als Faustregel gilt: Wird die obere Grenzfrequenz gleich 1/3 der Resonanzfrequenz des Aufnehmers gesetzt, beträgt der Messfehler bei den am oberen Ende des nutzbaren Bereichs gemessenen Schwingungskomponenten maximal 12 %.
Die Resonanzfrequenzen der kleineren Beschleunigungssensoren mit geringerer Masse liegen etwa bei 180 kHz. Für die etwas größeren, allgemein gebräuchlichen Beschleunigungssensoren sind jedoch Resonanzfrequenzen von 20 bis 30 kHz typisch.
Beschleunigungssensoren - Fehler durch Resonanz
Da eine Zunahme des Übertragungsfaktors an der oberen Frequenzgrenze wegen der Resonanzerscheinung typisch für Beschleunigungssensoren ist, liefert der Ausgang bei hohen Frequenzen kein wahrheitsgetreues Bild über den Schwingungsverlauf an der Messstelle.
Es ist also bei der Analyse einer Schwingungskurve offensichtlich, dass eine Spitze im Bereich hoher Frequenzen auf die Resonanz des Beschleunigungssensors zurückzuführen ist und vernachlässigt werden kann. Wird dagegen der Gesamtschwingungspegel in einem breiten Frequenzband einschließlich der Resonanzfrequenz gemessen, kommt man zu einem falschen Ergebnis, wenn die zu messende Schwingung gleichzeitig Anteile im Bereich der Resonanzfrequenz enthält.
Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass ein Beschleunigungssensor mit möglichst breitem Frequenzbereich und ein Tiefpassfilter verwendet werden. Ein solches Filter ist meistens schon in den Schwingungsmessern und Vorverstärkern eingebaut.
Wo Messungen auf tiefe Frequenzen beschränkt bleiben, lassen sich die Einflüsse der hochfrequenten Schwingungen und der Resonanz des Beschleunigungssensors mithilfe mechanischer Filter beseitigen. Diese Filter bestehen aus einem elastischen Material, meistens Gummi, das zwischen zwei Scheiben geklebt ist. Das Ganze wird zwischen dem Beschleunigungssensor und der Testfläche befestigt. Damit wird der Frequenzbereich auf Werte zwischen 0,5 kHz und 5 kHz reduziert.
KOMPLETTES HANDBUCHSCHWINGUNGSMESSUNG
VON BRÜEL & KJÆR
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