•  
  • Einführung

    Warum bieten wir diese Sensoren an?

    In vielen Bereichen unseres Lebens laufen Bewegungen ab: Das Auto rollt, ein Kompressor arbeitet, eine Werkzeugmaschine schleift, ein Bagger hebt eine Grube aus, Flugzeugtriebwerke drehen sich, Förderbänder und Greifer transportieren Pakete und einige unserer Mitarbeiter wohnen an verkehrsreichen Straßen.

    Alle Bewegungen erzeugen gewollt, als Begleiterscheinung ungewollt oder auch durch Abnutzung Schwingungen und Stöße. Häufig stören sie, wenn sie nur groß genug sind: Das Auto rumpelt, der Kompressor vibriert, die bearbeiteten Teile werden ungenau und rau, der Baggerfahrer wird durchgerüttelt, ein Triebwerk fällt aus oder sogar ab, Pakete und ihr Inhalt werden beschädigt, beim Vorbeifahren eines Brummis klirren die Gläser im Schrank. Allen Störungen ist gemeinsam, dass die Ursache Schwingungen und Stöße sind. Werden diese ständig oder im Turnus gemessen, so werden falsche Funktion, Abnutzung oder Schäden erkannt und können behoben werden.


    Was wird gemessen?

    Die verbreitetste Messgröße für mechanische Schwingungen ist die Schwingbeschleunigung. Sie hat die SI-Einheit m/s². Häufig wird auch die Gravitationsbeschleunigung (g) verwendet. 1 g entspricht etwa 9,81 m/s².

    Für einige Anwendungen, z.B. in der Maschinenüberwachung, eignen sich die Schwinggeschwindigkeit (mm/s) oder der Schwingweg (µm, mm). Die Schwinggeschwindigkeit lässt sich durch einfache Integration aus der Schwingbeschleunigung bilden, der Schwingweg durch Doppelintegration. Integratoren können in analoger Schaltungstechnik, präziser aber in Software realisiert werden.

    Während wir aus unserem Alltag eine Vorstellung über die Größenordnungen von Geschwindigkeit und Weg haben, fällt es uns oft schwer, Beschleunigungen abzuschätzen:

    • In geologischen Untersuchungen werden Beschleunigungen unter 0,001 m/s² gemessen.
    • Ein Rennwagen kann bei Kurvenfahrten bis zu 50 m/s² ausgesetzt sein. Die meisten Menschen verlieren bei etwa 60 m/s² das Bewusstsein.
    • Die bei einem Autounfall auftretenden Beschleunigungen von etwa 100 m/s² führen zu Knochenbrüchen, ein Sicherheitsgurt verursacht bei 300 m/s² Rippenbrüche.
    • Ein Laptop kann einen Fall aus 1 m Höhe auf einen Betonboden überleben, wobei Beschleunigungen von 20000 m/s² auftreten können.
    • Beschleunigungen über 100000 m/s² werden in der Ballistik und bei Explosionstests gemessen.

    Was sind das für Sensoren?

    Die Beschleunigungsaufnehmer, die wir vertreiben, basieren auf dem piezoelektrischen Wirkprinzip. "Piezo" kommt aus dem Griechischen und steht für drücken oder pressen. Wird ein piezoelektrisches Material Druck oder mechanischen Spannungen ausgesetzt, produziert es elektrische Ladung. Wird es mit einer seismischen Masse kombiniert, liefert es ein zur eingeleiteten Schwingbeschleunigung proportionales Ladungssignal.

    Das aktive Element der von uns vertriebenen Beschleunigungsaufnehmer besteht aus einer sorgfältig ausgewählten Piezokeramik mit hervorragenden Eigenschaften, das für stabile Übertragungseigenschaften gegenüber Umgebungs- Einflüssen und hohe Langzeitkonstanz optimiert wurde. Hohe Langzeitkonstanz, die die Größenordnung von Quarzsensoren erreicht, wird durch künstliche Alterung während der Produktion erreicht. Ein gravierender Vorteil von Piezokeramik gegenüber Quarz ist die um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit. Das ist insbesondere bei niedrigen Frequenzen und geringen Schwingamplituden vorteilhaft.

    Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind heute allgemein als die beste Sensorik für Schwingungen anerkannt. Verglichen zu den anderen Sensorprinzipen bieten sie eine Reihe entscheidender Vorteile:

    • Außerordentlich großer Dynamikumfang. Geringstes Rauschen macht piezoelektrische Sensoren gleichermaßen geeignet für die Messung kaum wahrnehmbarer Schwingungen und starker Stöße.
    • Hervorragende Linearität über den gesamten Dynamikbereich.
    • Weiter Frequenzbereich, auch höchste Frequenzen messbar.
    • Hohe Empfindlichkeit bei geringen Abmessungen.
    • Keine beweglichen inneren Teile, die beim Gebrauch verschleißen können.
    • Selbstgenerierendes Prinzip - keine Hilfsenergie erforderlich.
    • Sie sind in vielen Varianten herstellbar, damit gut anzupassen.
    • Das Beschleunigungssignal kann einfach oder doppelt integriert werden, um Schwinggeschwindigkeit oder Schwingweg zu erhalten.

     

    Die folgende Tabelle stellt die am meisten verbreiteten Sensortypen für Schwingungen den piezoelektrischen Aufnehmern gegenüber:

    Sensortyp Vorteil Nachteil
    Piezoresistiv
    • misst auch statische Beschleunigung
    • eingeschränkte Auflösung durch Widerstandsrauschen
    • nur für tiefe und mittlere Frequenzen
    • Versorgungsspannung erforderlich
    Elektrodynamisch
    • misst Schwinggeschwindigkeit direkt
    • nur für tiefe Frequenzen
    • große Bauform
    • Beschleunigung nicht direkt messbar
    • oft nicht in beliebiger Lage verwendbar
    Kapazitiv (mikromechanisch)
    • misst auch statische Beschleunigung (geeignet als Neigungsmesser)
    • preiswerte Herstellung mit Halbleitertechnologie
    • geringe Auflösung
    • zerbrechlicher
    • nur für tiefe Frequenzen

    Welche Signalverarbeitung wird verwendet?

    Der Wandlungsvorgang benötigt keine Hilfsenergie. Die an das nachfolgende Messgerät, auch an den inneren Verstärker, als Signal abgegebene Energie bezieht der Aufnehmer aus der Beschleunigung beim Messvorgang.  Grundsätzlich wird Wechselbeschleunigung gemessen, häufig auch Vibration genannt. Gleichbleibende Beschleunigung, z.B. die Erdbeschleunigung, ist nicht messbar. Dies ist oft von Vorteil, denn so muss die Gravitation nicht aus dem Messsignal entfernt werden.

    Das Signal des Sensors muss verstärkt und ggf. gefiltert oder integriert werden. IEPE-Aufnehmer benötigen zusätzlich eine Konstantstromversorgung. Hierfür eignen sich z.B. die Messverstärker M28, M32, M68 und M208. Auch der InnoBeamer® hat Konstantstromspeisung, Verstärkung und Filterung bereits integriert. Für Sensoren ohne Elektronik werden Ladungsverstärker benötigt, z.B. die Typen der M68-Serie.

    Nach der Vorverstärkung werden verschiedene Auswerteverfahren für das Schwingsignal angewandt:

    • Bildung von Momentanwert, Spitzenwert und Effektivwert der Schwingbeschleunigung,
    • einfache oder zweifache Integration zur Bestimmung von Schwinggeschwindigkeit v oder Schwingweg x,
    • Anwendung von Filterung und Frequenzbewertung, FFT und Kreuzkorrelation.

    Um die Leistungsfähigkeit moderner Messwertverarbeitungssysteme auszuschöpfen, ist es jedoch unumgänglich, das schwächste Glied der Messkette, den Sensor, genau zu kennen. Dazu soll Ihnen die folgende Abhandlung verhelfen.


    © 2008 MMF, überarbeitet durch die IDS Innomic GmbH. Die Publikation des Seiteninhaltes ist genehmigt, sofern wir als Quelle genannt werden. Freundlicherweise benachrichtigen Sie uns kurz, wenn der Inhalt von Ihnen weiterverarbeitet wird.