Beschleunigungssensoren für die Schwingungsmessung

Ein Beschleunigungssensor verwendet ein Feder-Masse-System zur Erzeugung einer Kraft, die proportional zur Schwingung ist, und ist daher die richtige Antwort für viele unterschiedliche Testanwendungen in Forschung und Industrie. Die Ladungs- und CCLD-Sensoren von Brüel & Kjær bieten ICP©-, DeltaTron™- und TEDS-Technologie für eine einfache Einrichtung und konsistente Messungen. Sie sind optimal an einachsige und dreiachsige (triaxiale) Konfigurationen anpassbar. Wenden Sie sich an Ihre Brüel & Kjaer-Vertretung vor Ort, oder erfahren Sie mehr über unsere Beschleunigungssensortypen und ihre technischen Daten, um Ihren Sensor auszuwählen.

Accelerometer Specifications
Accelerometer Types

INHALT

1. Was ist ein Beschleunigungssensor?
2. Triaxiale Beschleunigungssensoren
3. Signalverarbeitung/Vorverstärker
4. Auswahl Ihres Beschleunigungssensors
5. Technische Daten von Beschleunigungssensoren


Was ist ein Beschleunigungssensor?

Ein Beschleunigungssensor ist ein elektromechanischer Aufnehmer, der an seinen Ausgangsanschlüssen eine EMF erzeugt, die proportional zur Beschleunigung ist, der der Aufnehmer ausgesetzt ist. Das Ausgangssignal kann elektronisch verarbeitet und von einer Anzeige oder einem anderen geeigneten Anzeigegerät abgelesen werden.

Das aktive Element der Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær besteht aus piezoelektrischen Scheiben oder Platten, die von seismischen Massen belastet und durch eine Klemmvorrichtung in Position gehalten werden.

Die piezoelektrischen Elemente erzeugen eine Ladung proportional zur aufgebrachten Kraft. Wenn der Beschleunigungssensor Schwingungen ausgesetzt ist, übt die kombinierte seismische Masse eine veränderliche Kraft auf das piezoelektrische Element aus, die proportional zur Beschleunigung der seismischen Massen ist.

Dies ist beispielhaft für unsere verschiedenen Sensortypen dargestellt:

Bauform eines Beschleunigungssensors

Vorverstärker für Beschleunigungssensoren

Mit Ausnahme von DeltaTron-Beschleunigungssensoren mit eingebauten Vorverstärkern müssen die Ausgaben der Ladungs-Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær durch einen Vorverstärker geführt werden.

Hier werden Ladungsverstärker empfohlen. Brüel & Kjær stellt für diesen Zweck eine große Auswahl an leistungsstarken Vorverstärkern her.  Bei Ladungsvorverstärkern können Sie sehr lange Anschlusskabel verwenden, ohne die spezifizierte Messempfindlichkeit der Kombination aus Beschleunigungssensor und Vorverstärker zu verändern.

Da Benutzerfreundlichkeit bei Kalibrierung und Messung in der Regel genauso wichtig ist wie die Gesamtverstärkung und der Frequenzbereich, verfügen die meisten Vorverstärker für Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær über eine oder mehrere der folgenden Hilfsmittel für die Signalverarbeitung:

Schwingungsvorverstärker MEHR ERFAHREN
SIGNALVERARBEITUNG
  • Netzwerke zur Konditionierung der Messempfindlichkeit : Ermöglichen die direkte Auswahl der Messempfindlichkeit des Aufnehmers am Vorverstärker, wodurch einheitliche Systemempfindlichkeiten erzielt werden.
  • Integrationsnetzwerke : Erlauben die automatische Umwandlung der gemessenen Beschleunigung in ein zu Schwinggeschwindigkeit und Weg proportionales Signal.
  • Hoch- und Tiefpassfilter : Ermöglichen die Auswahl verschiedener unterer und oberer Grenzfrequenzen am Vorverstärker, um unerwünschte Signale und den Einfluss der Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors aus den Messungen auszuschließen.

Ein- und dreiachsige Beschleunigungssensoren

Triaxiale Beschleunigungssensoren (auch als dreiachsige Beschleunigungssensoren bezeichnet) werden für gleichzeitige Schwingungsmessungen in drei zueinander senkrechten Richtungen (Achsen) verwendet. Als Faustregel gilt, dass triaxiale Beschleunigungssensoren mehr Messinformationen liefern als normale einachsige Sensoren.

Accelerometer Diagram

Normalerweise bestehen triaxiale Beschleunigungssensoren aus drei einzelnen Beschleunigungssensoren, die in einem einzigen Gehäuse um 90 Grad versetzt montiert sind. Dies schränkt jedoch die Mindestgröße des Beschleunigungssensors ein und bedeutet, dass jede Achse einen anderen Bezugspunkt hat.

Die Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær verwenden eine gemeinsame seismische Masse und ein piezoelektrisches Element. Diese Konstruktion ergibt einen sehr kompakten triaxialen Beschleunigungssensor, bei dem alle Achsen denselben Bezugspunkt haben. Diese Bauweise gewährleistet zudem genaue und konsistente Messungen, selbst wenn der Beschleunigungssensor komplexen Schwingungsmustern ausgesetzt ist.

Auswahl Ihres Beschleunigungssensors

Bei der Auswahl Ihres Beschleunigungssensors sind die folgenden Spezifikationen zu beachten, damit Sie die besten Ergebnisse für Ihre Testanwendung und -umgebung erzielen:


TECHNISCHE DATEN

> Uni-Gain und "V"
> Messempfindlichkeit
> Freq.- Antwort
> Dynamikbereich
> Kalibrierung

Uni-Gain und "V"

Wir führen sowohl „V“-Typen als auch Uni-Gain-Sensortypen auf:

Die „V“-Typen: Die Sensoren ohne Uni-Gain-Typen erkennen Sie an der Endung „V“ in der Typenbezeichnung. Der Unterschied zwischen diesen beiden Typen besteht darin, dass alle Angaben in der Kalibriertabelle für „V“-Typen (außer der Messempfindlichkeit) typisch sind.

Im Gegensatz dazu werden die Messempfindlichkeit und andere Parameter der Uni-Gain-Beschleunigungssensoren innerhalb enger Toleranzen garantiert, um einfache Austauschbarkeit ohne Neukalibrierung zu ermöglichen.

Uni-Gain-Übertragungsfaktor: Diese Bezeichnung gibt an, dass der gemessene Übertragungsfaktor des Beschleunigungssensors während der Herstellung auf 2% eines geeigneten Wertes eingestellt wurde, zum Beispiel (in 10-dB-Schritten) 1, 3,16 oder 10 pC/ms –2.


Ladungs- und Spannungs-Übertragungsfaktor

Ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor kann als Ladungs- oder Spannungsquelle betrachtet werden. Der Übertragungsfaktor oder die Messempfindlichkeit eines Beschleunigungssensors ist definiert als der Quotient aus seiner Ausgangsgröße und der Beschleunigung, der er ausgesetzt ist. Dies lässt sich in der Form Ladung pro Beschleunigungseinheit (z.B. pC/ms–2 ) oder erzeugte Spannung pro Beschleunigungseinheit (z.B. mV/ms–2 ) ausdrücken.

Ersatzschaltkreise für piezoelektrische Beschleunigungssensoren Ersatzschaltbild für Beschleunigungssensoren ohne eingebauten Vorverstärker

Die in den einzelnen Kalibriertabellen angegebenen Messempfindlichkeiten wurden bei 160 Hz mit einer Beschleunigung von 100 ms–2 gemessen. Bei einer statistischen Sicherheit von 99,9 % beträgt die Genauigkeit der Werkskalibrierung ± 2 % und berücksichtigt den Einfluss des mit dem Beschleunigungssensor mitgelieferten Anschlusskabels. 

Querempfindlichkeit

Beschleunigungssensoren reagieren etwas sensibel auf Beschleunigung senkrecht zur Hauptachse ihrer Messempfindlichkeit. Diese Querempfindlichkeit wird während der Werkskalibrierung mit 30 Hz und 100 ms–2 Anregung gemessen und in Prozent des Übertragungsfaktors in Achsrichtung angegeben.

Querempfindlichkeit des BeschleunigungssensorsDer relative Frequenzgang eines Beschleunigungssensors bei Schwingungen in der Haupt- und Querachse


Frequenzgang und Frequenzbereich

Die in den technischen Daten angegebenen oberen Grenzfrequenzen werden als 30 % und 22 % der Resonanzfrequenz im Einbauzustand berechnet, mit Fehlern von weniger als 10 % bzw. 5 %. Bei diesen Berechnungen wird davon ausgegangen, dass der Beschleunigungssensor richtig am Prüfobjekt befestigt ist, da eine unzulängliche Montage einen deutlichen Einfluss auf die Resonanzfrequenz im Einbauzustand haben kann.

Die untere Grenzfrequenz eines Beschleunigungssensors hängt in erster Linie von der Art des im Messaufbau verwendeten Vorverstärkers ab.

Querresonanzfrequenz: Typische Werte für die Querresonanzfrequenz erhält man, indem man die seitlich an einem Stahl- oder Berylliumwürfel montierten Beschleunigungssensoren mit dem Kalibrierschwingerreger Typ 4294 in Schwingung versetzt.

Phasengang und Dämpfung:  Die geringe Dämpfung der Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær führt zu einer einzelnen, wohldefinierten, auf den einzelnen Frequenzgangkurven aufgetragenen Resonanzspitze.

Messempfindlichkeit des Beschleunigungssensors Querempfindlichkeit des Beschleunigungssensors in jede Richtung (wenn die maximale Querempfindlichkeit bekannt ist).


Dynamikbereich: Ober- und Untergrenze

Der Dynamikbereich eines Beschleunigungsaufnehmers ist definiert als der Bereich, in welchem sein elektrisches Ausgangssignal proportional der zu messenden Beschleunigung an seiner Basis ist.

Obere Dynamikgrenze:  Im Allgemeinen gilt: Je kleiner der Beschleunigungssensor, desto größer ist der Schwingungspegel, für den er verwendet werden kann. Die obere Dynamikgrenze hängt von der Art der Schwingung ab und wird durch die Vorspannung des piezoelektrischen Elements sowie durch die mechanische Festigkeit des Elements bestimmt.

Bei Beschleunigungssensoren mit eingebautem Vorverstärker sind die in den technischen Daten aufgeführten maximalen Grenzwerte für Schocken und Dauerschwingen die Messgrenzen. Für Transport und Handhabung werden der maximale zerstörungsfreie Schock und die maximalen Grenzwerte für Schocken und Dauerschwingen für jede Richtung für Frequenzen bis zu einem Drittel der Resonanzfrequenz im Einbauzustand angegeben.

Bei der Messung von kurzzeitigen transienten Signalen muss darauf geachtet werden, dass Überschwingeffekte aufgrund der Hochfrequenzresonanz des Beschleunigungssensors vermieden werden. Eine allgemeine Faustregel für einen Halbsinus-Schockimpuls zur Erzielung von Amplitudenfehlern von weniger als 5 % besteht darin, sicherzustellen, dass die Impulsdauer 10/ /f/R überschreitet, wobei /f/R die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors im Einbauzustand ist.

Untere Dynamikgrenze: Theoretisch ist die Ausgabe eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors aufgrund des thermischen Rauschens bis zur Beschleunigung der seismischen Masse linear. In der Praxis ist eine untere Dynamikgrenze jedoch durch den Rauschpegel des Messsystems und die Umgebung, in der die Messungen durchgeführt werden, gegeben.


Kalibrierung und Stabilität

Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær werden in allen Phasen der Herstellung und Montage gründlich geprüft und untersucht. Jeder Beschleunigungssensor durchläuft ein umfangreiches Kalibrierverfahren und einen künstlichen Alterungsprozess, um eine vollständig vorhersagbare Leistung und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Die Kalibrierung der piezoelektrischen Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær erfolgt unter Anwendung der Back-to-Back-Methode durch Vergleich mit einem als primäres Bezugsnormal dienenden Beschleunigungssensor, der am dänischen DPLA (Danish Primary Laboratory of Acoustics) kalibriert und hinsichtlich der Rückführbarkeit vom amerikanischen NIST (American National Institute of Science and Technology) und der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) überprüft wurde..

Die Gesamtgenauigkeit des Back-to-Back-Vergleichs beträgt 2 % mit einer statistischen Sicherheit von 99,9 % (1,6 % für eine statistische Sicherheit von 99 %), während die Genauigkeit bei der Interferometrie-Methode besser ist als± 0,6% mit einer statistischen Sicherheit von 99 %.

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TRANSDUCER SMART SETUP


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Kalibrierung.


Sprechen Sie uns an!

Für weitere Details oder Fragen zu bestimmten Sensortypen, technischen Daten und Preisen wenden Sie sich bitte an Ihre Brüel & Kjær-Vertretung vor Ort.