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  • Beschleunigungsaufnehmer

    Beschleunigungsaufnehmer werden eingesetzt um Beschleunigungen zu messen. Dazu können mehrere Messprinzipien verwendet werden. So haben sich in den letzten Jahren neben z.B. piezoelektrischen Aufnehmern und Dehnungsmessstreifen auch Mikrosysteme (MEMS) durchgesetzt.

    Der ideale Beschleunigungsaufnehmer besitzt einen großen linearen Frequenzbereich (ermöglicht auch statische Messungen), sehr geringes Rauschen und ist kostengünstig. Leider existiert solch ein Aufnehmer nicht. Jedes oben genannte Messprinzip besitzt neben vorteilhaften auch nachteilige Eigenschaften.

    Abb. 1: Schematischer Aufbau eines MEMS-Beschleunigungsaufnehmers

    So zum Beispiel die mikro-elektro-mechanischen Systeme (MEMS). Diese miniaturisierten Beschleunigungsaufnehmer beinhalten ein Feder-Masse System aus Silizium. Bei einwirkenden Beschleunigungen verschiebt sich die nur wenige Mikrometer große Feder (s. Abb. 1). Ähnlich wie bei einem Plattenkondensator bewirkt dies eine Änderung der Kapazität. Eine integrierte Elektronik wertet die Kapazitätsänderungen aus und lässt Rückschlüsse auf die einwirkende Beschleunigung zu. MEMS-Beschleunigungsaufnehmer lassen sich kostengünstig in großen Stückzahlen produzieren und sind sehr zuverlässig. Desweiteren sind statische Messungen möglich. Allerdings ist der lineare Frequenzbereich der Aufnehmer oft sehr eingeschränkt und sie besitzen ein relativ hohes Rauschen. Für Präzisionsmessungen mit hoher Bandbreite sind sie daher nicht geeignet. Anwendung finden MEMS-Beschleunigungsaufnehmer vor allem als Neigungs- und Orientierungssensor in elektrischen Geräten wie Handys, Tablets, Gamepads oder im Automotive-Bereich als Auslöser für Airbag- oder ESP-Einsätze. Aktuell wird an besonders empfindlichen MEMS-Aufnehmern geforscht, welche Beschleunigungen im ng-Bereich (10-9 g) detektieren sollen. Die Hauptaufgabe ist es das Grundrauschen der Aufnehmer drastisch zu reduzieren.

    Abb. 2: Funktionsprinzip eines Beschleunigungsaufnehmers

    In piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern wirkt eine seismische Masse auf einen piezoelektrischen Kristall. Dabei verschieben sich im Kristall die Ladungsschwerpunkte und es wird ein elektrisches Signal erzeugt (s. Abb. 2). Dieses Signal ist proportional zur einwirkenden Beschleunigung.

    Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer können als Ausgangsgröße Ladung oder Spannung besitzen. Erstere müssen zur Auswertung des Aufnehmersignals an einen Ladungsverstärker angeschlossen werden. Beschleunigungsaufnehmer nach IEPE-Standard sind mit einer integrierten Elektronik ausgerüstet. Sie werden mit einer Konstantstromquelle gespeist und geben ein Wechselspannungssignal ab. Der Umrechnungsfaktor von Spannung (Ladung) zu Beschleunigung wird Empfindlichkeit genannt. Diese Größe besitzt die Einheit mV/m/s² (pC/m/s²) und hängt von den Materialeigenschaften und dem Aufbau des Sensors ab. 

    • Abb. 3: Beschleunigungsaufnehmer für industrielle Anwendungen
    • Abb. 4: Beschleunigungsaufnehmer für niederfrequente Schwingungen

    Alle piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer haben einen ähnlichen Frequenzgang. So besitzt der Aufnehmer einen breiten frequenzunabhängigen Bereich. Oberhalb dieses Bereiches weist der Beschleunigungsaufnehmer eine spezifische Resonanzfrequenz auf, bei der die Empfindlichkeit stark ansteigt. Diese Resonanz ist durch die Wechselwirkungen der inneren Komponenten (seismische Masse, Piezokeramik) bedingt. Zu niedrigen Frequenzen nimmt die Empfindlichkeit ab, die Grenzfrequenz hängt von der angeschlossenen Elektronik ab.

    Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer besitzen im Gegensatz zu MEMS-Aufnehmern ein sehr niedriges Grundrauschen und einen weiten Temperaturbereich. So können Sensoren mit Ladungsausgang bei Umgebungstemperaturen bis über 250 °C eingesetzt werden. Somit eignen sich piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer für verschiedenste Anwendungen: Von der Aufnahme von niederfrequenten Bauwerksschwingungen bis zur Detektion von hochfrequenten Stoßimpulsen bei der Wälzlagerdiagnose (s. Abb. 3 u. 4).