Beschleunigungssensor

Piezoelektrischer Kraftsensor

Ein piezoelektrischer Kraftsensor ist fast so biegesteif wie ein vergleichbar großes Stück massiven Stahls. Aufgrund dieser Steifheit und Festigkeit lassen sich diese Sensoren direkt in Maschinen eingebaut als Teil ihrer Struktur verwenden.

Typen von Beschleunigungssensoren

Es gibt zwei Typen piezoelektrischer Beschleunigungssensor (Vibrationssensoren). Beim ersten Typ handelt es sich um Beschleunigungssensor mit hochohmigem Ladungsausgangssignal. Bei dieser Art von Beschleunigungssensoren erzeugt der piezoelektrische Kristall eine elektrische Ladung, die direkt an das Messgerät geleitet wird. Ladungsausgangssignale erfordern spezielle Einrichtungen und Messgeräte, die vor allem in Forschungseinrichtungen zu finden sind. Dieser Typ von Beschleunigungssensor kommt auch bei Hochtemperaturanwendungen (> 120°C) zum Einsatz, für die sich niederohmige Modelle nicht eignen.

Die zweite Kategorie von Beschleunigungssensoren umfasst solche, die ein niederohmiges Ausgangssignal liefern. Zwar kommt auch bei Beschleunigungssensoren mit niederohmigem Ausgangssignal intern ein Beschleunigungssensor mit Ladungsausgangssignal zum Zug, jedoch verfügen sie zusätzlich über einen integrierten Mikroschaltkreis und FET-Transistor zur Umwandlung der elektrischen Ladung in ein niederohmiges Spannungssignal, das sich problemlos an Standardmessinstrumente anbinden lässt. Beschleunigungssensor dieses Typs finden gewöhnlich im industriellen Bereich Verwendung. Eine externe Stromversorgung für Beschleunigungssensor, wie z. B. die ACC-PS1 von OMEGA, dient zur Speisung des Mikroschaltkreises mit einem Konstantstrom von 2 mA bei 18 bis 24 V sowie zur Beseitigung der DC-Arbeitspunktverschiebung. Derartige Beschleunigungssensor liefern je nach Empfindlichkeit des jeweiligen Modells in der Regel ein offsetfreies Ausgangssignal von bis zu ±5 V. Bei allen Beschleunigungssensoren von OMEGA™ handelt es sich um solche mit niederohmigem Ausgangssignal.

Technische Daten von Beschleunigungssensoren

Dynamikbereich: Die Bandbreite der vom Beschleunigungssensor ohne Verzerrung oder Begrenzung des Ausgangssignals messbaren Amplituden. Er wird üblicherweise in der Einheit g angegeben.

Frequenzgang: Dieser ist abhängig von der Masse, den piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls sowie der Resonanzfrequenz des Gehäuses. Für den Frequenzbereich des Ausgangssignals eines Beschleunigungssensors gilt eine festgelegte Toleranz, normalerweise ±5 %. g 1g ist die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft der Erde, sie beträgt ca. 9,8 m/s2.

Erdung: Die Signalerdung kann bei Beschleunigungssensoren auf folgende zwei Arten erfolgen. Bei Beschleunigungssensoren mit Gehäuseerdung wird die Masseleitung mit dem Gehäuse verbunden. Da das Gehäuse Teil des Signalwegs ist und möglicherweise mit Objekten aus elektrisch leitfähigen Materialien in Berührung kommt, ist bei dieser Art von Beschleunigungssensor auf die Vermeidung aus der Erdung resultierender Störsignale zu achten. Bei erdfreien Beschleunigungssensoren hingegen sind die elektrischen Bauteile vom Gehäuse galvanisch getrennt. Solche Geräte zeichnen sich durch eine erheblich geringere Anfälligkeit für erdungsverursachte Störsignale aus.

Obere Grenzfrequenz: Die Frequenz, bei der das Ausgangssignal die hierfür spezifizierte Toleranz überschreitet. Sie richtet sich in der Regel nach der mechanischen Resonanz des Beschleunigungssensors.

Untere Grenzfrequenz: Die Frequenz, ab der die spezifizierte Genauigkeit das Ausgangssignals nicht mehr gewährleistet ist. Das Ausgangssignal wird zwar nicht begrenzt, die Empfindlichkeit nimmt jedoch mit sinkender Frequenz rapide ab.

Rauschen: Der Messverstärker erzeugt elektronisches Rauschen. Dieses Rauschen wird entweder bezogen auf die Bandbreite (Angabe für einen bestimmten Frequenzbereich) oder spektral (Angabe für bestimmte Frequenzen) spezifiziert. Die Intensität des Rauschens wird in g angegeben, z. B. 0,0025 g bei 2-25.000 Hz. Das elektronische Rauschen nimmt normalerweise mit steigender Frequenz ab. Deshalb stellt das Rauschen bei niedrigen Frequenzen ein größeres Problem dar als bei hohen.

Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors zu berücksichtigende Parameter

• Welches ist die zu überwachende Amplitude der Vibrationen?


• Welches ist der zu überwachende Frequenzbereich?


• Welches ist der Temperaturbereich bei der konkreten Anwendung?


• Welche Größe und Form weist das zu überwachende Objekt auf?


• Gibt es am geplanten Einsatzort elektromagnetische Felder?


• Ist der geplante Einsatzort elektrisch stark verrauscht?


• Ist die Oberfläche, auf welcher der Beschleunigungssensor montiert werden soll, geerdet?


• Ist die Einsatzumgebung korrosiv?


• Erfordert die Einsatzumgebung eigensichere oder explosionsgeschützte Messgeräte?


• Handelt es sich um eine feuchte Einsatzumgebung oder eine, die regelmäßig per Dampfstrahl gereinigt wird?

Resonanzfrequenz: Dies ist die Frequenz, bei der es zur Eigenschwingung des Sensors kommt. Bei Frequenzmessungen ist darauf zu achten, dass die Frequenzen nicht annähernd an die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors heranreichen.

Empfindlichkeit: Sie gibt die entsprechend einer bestimmten gemessenen Kraft (angegeben in g) erzeugte Ausgangsspannung an. Beschleunigungssensor lassen sich in dieser Hinsicht grob in zwei Kategorien unterteilen: solche mit einer Empfindlichkeit von 10 mV/g und solche mit einer Empfindlichkeit von 100 mV/g. Die Frequenz der AC-Ausgangsspannung entspricht dabei der Frequenz der Vibrationen. Der Pegel des Ausgangssignals ist proportional zur Amplitude der Vibrationen. Beschleunigungssensor mit niedrigem Ausgangssignalpegel dienen zur Messung von Vibrationen mit großer Amplitude und umgekehrt solche mit hohem Ausgangssignalpegel zur Messung von Vibrationen mit kleiner Amplitude.

Temperaturempfindlichkeit: Sie beschreibt die Ausgangsspannung pro Grad einer gemessenen Temperatur. Beschleunigungssensor besitzen eine Temperaturkompensation, damit sich die Änderung des Ausgangssignals infolge von Temperaturschwankungen im zulässigen Rahmen bewegt.

Temperaturbereich: Dieser wird vom elektronischen Mikroschaltkreis begrenzt, der die elektrische Ladung in ein niederohmiges Ausgangssignal umwandelt. Der Temperaturbereich reicht in der Regel von -50 bis +120°C.

Weitere Empfehlungen für die Auswahl eines Beschleunigungssensors

Die Masse des Beschleunigungssensors sollte erheblich geringer sein als die Masse des zu überwachenden Objekts. Der Dynamikbereich des Beschleunigungssensors sollte größer sein als die Bandbreite der erwarteten Vibrationsamplituden des Objekts. Der Frequenzbereich des Beschleunigungssensors sollte zum erwarteten Vibrationsfrequenzbereich passen. Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors sollte ein zu vorhandenen Messgeräten elektrisch kompatibles Ausgangssignal gewährleisten. Verwenden Sie zur Messung großer Vibrationsamplituden einen Beschleunigungssensor mit geringer Empfindlichkeit und umgekehrt einen Beschleunigungssensor mit hoher Empfindlichkeit für die Messung kleiner Vibrationsamplituden.

Industrielle Beschleunigungssensor
Diese Beschleunigungssensor gelten in der Industrie als die Arbeitstiere im Bereich der Beschleunigungsmessung. Sie finden überall Verwendung – von Werkzeugmaschinen bis hin zu Schüttelmaschinen für Farben. OMEGAs Sortiment an industriellen Beschleunigungssensoren umfasst vier Modelle. Der ACC101 (siehe Abbildung) ist ein hochwertiger und zugleich kostengünstiger Beschleunigungssensor für Standardanwendungen. Beim ACC102A handelt es sich um ein hermetisch abgedichtetes Modell für raue Einsatzumgebungen. Es verfügt über ein nicht abnehmbares Kabel und wiegt nur 50 g. Die Modelle ACC786A (mit Kabelzuführung an der Oberseite) und ACC787A (mit seitlicher Kabelzuführung) sind ebenfalls hermetisch abgedichtet und werden zudem mit einem abnehmbaren, wetterfesten Kabel geliefert.

3-Achsen-Beschleunigungssensor
3-Achsen-Beschleunigungssensoren messen die Vibrationen in den drei Achsen x, y und z. In ihnen sind drei Quarze so angeordnet, dass jeweils einer auf Vibrationen in einer der verschiedenen Achsenrichtungen reagiert. Die drei Ausgangssignale repräsentieren jeweils die Vibrationen in einer der drei Achsenrichtungen. Der aus leichtem Titan gefertigte ACC301 hat einen Ausgang 10 mV/g mit einem Dynamikbereich von 500 g über einen Frequenzbereich von 3 bis 10 kHz.

Montage eines Beschleunigungssensors

Eine präzise Vibrationsmessung setzt voraus, dass der Sensor direkt auf der Oberfläche des betreffenden Objekts montiert wird. Dies kann durch verschiedene Arten der Montage erreicht werden:

- Flache Magnetmontagevorrichtung
- 2-Punkt-Magnetmontagevorrichtung
- Klebstoffe (Epoxid/Zyanakrylat)
- Montagebolzen
- Isolierender Montagebolzen

Magnetmontagevorrichtungen dienen meist zur temporären Installation.
Sie ermöglichen die Anbringung von Beschleunigungssensoren an Oberflächen aus ferromagnetischem Material, wie sie häufig bei Werkzeugmaschinen, Elektromotoren und Maschinenkomponenten zu finden sind. Magnetmontagevorrichtungen erlauben ohne großen Aufwand den Einsatz ein und desselben Beschleunigungssensors an diversen Einsatzorten. 2-Punkt-Magnetmontagevorrichtungen gestatten die Montage eines Beschleunigungssensors auf einer gewölbten Oberfläche aus ferromagnetischem Material.

Klebstoffe und Gewindebolzen dienen zur permanenten Installation.
Klebstoffe wie etwa Epoxid oder Zyanakrylat sorgen erfahrungsgemäß bei den meisten Anwendungen für eine zufrieden stellende Verbindung zwischen Beschleunigungssensor und Oberfläche. Achten Sie jedoch auf eine möglichst dünne Klebstoffschicht, um eine unerwünschte Dämpfung der Vibrationen infolge der Elastizität des Klebstoffs zu vermeiden. Zum Abmontieren eines aufgeklebten Beschleunigungssensors empfiehlt es sich, am sechskantigen Gehäuseabschnitt einen Schraubenschlüssel anzusetzen und den Beschleunigungssensor zu drehen, bis sich die Klebverbindung löst. VERWENDEN SIE KEINEN HAMMER! Wenn Sie den Beschleunigungssensor mit Hammerschlägen lösen, nimmt er Schaden.

Schrauben oder Bolzen sind die empfehlenswerteste Montageoption.
Hierzu müssen zwar Löcher in das Objekt gebohrt und Gewinde geschnitten werden, dafür aber besticht dieses Verfahren mit optimalem Kontakt und höchster Zuverlässigkeit. Beachten Sie beim Anziehen der Schrauben auf die Drehmomentvorgaben, um eine Beschädigung des Sensors oder der Gewinde auszuschließen.