Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer Theorie...

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Piezoelektrische BeschleunigungsaufnehmerTheorie und Anwendung

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  • Messgre BeschleunigungVerbreitetste Messgre fr mechanische Schwingungen SI-Einheit: m/s (USA auch g; 1 g 9,81 m/s) Einfache Integration fhrt zur Schwing- geschwindigkeitDoppelintegration fhrt zum Schwingweg Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*

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  • Messgre BeschleunigungGeologische Untersuchungen: < 0,001 m/sRennwagen bei Kurvenfahrt: bis zu 50 m/sMenschen verlieren das Bewusstsein: 60 m/s Autounfall mit Knochenbrchen: 100 m/sSicherheitsgurt verursacht Rippenbrche: 300 m/s Laptop fllt aus 1 m Hhe auf Betonboden, evt. ohne Beschdigung: bis zu 20000 m/sBallistik und Explosionstests: 100000 m/s

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Piezoelektrischer EffektPiezokeramik und Quarz erzeugen eine Ladungsverschiebung wenn eine Kraft auf sie einwirkt

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Piezoelektrischer BeschleunigungsaufnehmerEin piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer besteht aus einem piezoelektrischen Material und einer seismischen MasseDie erzeugte Ladung ist proportional zur Beschleunigung

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Aufbau von BeschleunigungsaufnehmernBeispiel: Scher-Beschleunigungsaufnehmer mit ringfrmiger PiezokeramikDie Trgheitskraft der seismischen Masse erzeugt ein elektrisches Signal an den Elektroden des Piezomaterials

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Andere Typen von SchwingungsaufnehmernIm Vergleich mit Piezo-Beschleunigungsaufnehmern:

    SensortypVorteileNachteilePiezoresistiv (auf Basis von Dehnungs-messstreifen)Misst statische BeschleunigungRobust Beschrnkte AuflsungNur bis zu einigen kHzSpannungsquelle erforderlichElektrodynamisch(auch Geophone)Misst Schwing-geschwindigkeitNur fr tiefe FrequenzenZerbrechlichKapazitivMisst statische BeschleunigungKostengnstige Herstellung mit HalbleiterprozessenGeringe AuflsungZerbrechlich

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Vorteile von Piezo-BeschleunigungsaufnehmernSehr groer Dynamikumfang, praktisch rauschfrei, fr Stomessung ebenso geeignet wie fr geringste Erschtterungen Hervorragende Linearitt ber den DynamikbereichBreiter Frequenzbereich, bis in den Ultraschallbereich einsetzbarKleine Bauformen bei hoher EmpfindlichkeitKeine beweglichen Teile, hohe LebensdauerSelbstgenerierendes Prinzip, keine Spannungsquelle erforderlichAber: Nicht geeignet fr statische Beschleunigung

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Ladungs- und IEPE-AufnehmerLadungsaufnehmer liefern direkt das vom Piezomaterial erzeugte elektrische Signal Nachteil: Maximale Kabellnge ca. 10 m, strarme Spezialkabel erforderlich IEPE-Aufnehmer besitzen einen integrierten Verstrker. Vorteil: Kabellngen von mehreren hundert Metern mglich, Standard-Koaxialkabel ausreichend Nachteil:Eingeschrnkter Betriebstemperaturbereich, Eingeschrnkte Aussteuerbarkeit Andere Herstellerbezeichnungen fr IEPE: ICP, CCLD, Isotron, Deltatron, Piezotron

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  • IEPE-BeschleunigungsaufnehmerDie eingebaute Elektronik wird mit Konstantstrom versorgtVersorgungsstrom und Sensorsignal werden ber das gleiche Kabel bertragen

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*IEPE-BeschleunigungsaufnehmerAussteuerbarkeit

    Durch Messung der Arbeitspunktspannung und der Aussteuergrenzen lsst sich eine einfache Sensorkontrolle realisieren

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Aufnehmerdaten: EmpfindlichkeitDie Empfindlichkeit von Ladungsaufnehmern wird in pC / m/s oder pC / g angegeben Typische Werte: 0,1 100 pC/ms oder 1 1000 pC/gDie Empfindlichkeit von IEPE-Aufnehmer wird in mV / m/s oder mV / g angegeben Typische Werte: 1 - 1000 mV/ms oder 10 10 000 mV/gDie im Datenblatt angegebene Empfindlichkeit wird meist bei 80 Hz gemessen

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Aufnehmerdaten: FrequenzgangEin typischer Beschleunigungsaufnehmer hat eine Resonanzfrequenz zwischen 10 30 kHzDer 3 dB-Frequenzbereich erstreckt sich blicherweise etwa bis zur Hlfte der Resonanzfrequenz

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers1. Kriterium: Beschleunigungsamplitude Sehr niedrig: Seismische Beschleunigungsaufnehmer (...m/s bis 1 m/s)

    Mittel: Standard-Beschleunigungsaufnehmer (1 bis 10 000 m/s) Sehr hoch: Sto-Beschleunigungsaufnehmer (> 10 000 m/s) KB12KS76KS93Beispiele:

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers2. Kriterium: AufnehmermasseDie Masse des Aufnehmers sollte 10 % der Messobjektmasse nicht berschreiten, damit das Schwingungsverhalten nicht verflscht wird

    Leichte Aufnehmer: Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer (Masse < 5 g)

    Beispiel:KS91KS94

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers3. Kriterium: Umgebungsbedingungen Feuchtigkeit und Staub: Industrie-Beschleunigungsaufnehmer (mit Schutzgrad IP67 oder hher)

    Elekromagnetische Felder und Erdschleifen: Industrie-Beschleunigungsaufnehmer (mit isoliertem Gehuse)

    KS81Beispiele:KS80KS74

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Befestigung von Beschleunigungsaufnehmern bertragung:Max. Frequenz:gutschlecht> 20 kHz< 1 kHz< 5 kHz

    Gewinde-stutzenDirekt-KlebungKlebe-flanschIsolier-flanschHaft-magnetTast-spitze

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Typische MontagefehlerFr hchste Messgenauigkeiten, insbesondere bei hohen Frequenzen, sollten der Aufnehmerboden und das Messobjekt saubere, ebene, glatte, kratzerfreie und gratlose Oberflchen habenEine starre mechanische Verbindung zwischen Aufnehmer und Messobjekt ist wichtig. Bleche oder Kunststoffteile sowie andere dnne, flexible Messpunkte sind ungeeignet fr die Aufnehmermontage

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  • AufnehmerverkabelungKabellnge fr Aufnehmer mit Ladungsausgang max. 10 m (strarmes low noise Kabel)Steckverbindungen sauber und trocken halten (Leckstrme)Aufnehmerkabel von elektromagnetischen Strquellen fernhaltenNicht parallel zu Starkstromleitungen fhrenMetra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*

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  • AufnehmerverkabelungAufnehmerkabel sollen keine Relativbewegung zum Sensor ausfhren, um Krafteinleitung zu vermeidenMglichkeiten der Kabelbefestigung:

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  • Vermeidung von ErdschleifenErdschleifen entstehen bei langen Aufnehmer-kabeln und in der Umgebung leistungsstarker elektrischer Maschinen, die starke Ausgleichs-strme im Erdungssystem hervorrufenSie uern sich durch Stranteile bei 50 oder 100 Hz, bei Wechselrichtern auch hochfrequent

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  • Vermeidung von ErdschleifenFalls Erdung berhaupt notwendig ist, nur ein zentraler Erdungspunkt, isolierte Sensormontage

    Schlecht:

    Besser:*Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Messtechnik fr LadungsaufnehmerLadungsaufnehmer erfordern Messgerte mit Ladungseingang oder sehr hochohmigem SpannungseingangEin Ladungsverstrker ist ein Differenzverstrker mit kapazitiver Rckkopplung

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*Messtechnik fr IEPE-AufnehmerAufnehmer mit integrierter IEPE-Elektronik bentigen eine Versorgung mit Konstantstrom zwischen 2 und 20 mA ber die MessleitungDie Konstantstromquelle kann Teil des Messgertes oder ein separates Gert sein

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  • Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de*MessverstrkerM68-Serie Ladungs- und IEPE-VerstrkerM208 8-Kanal-IEPE-VerstrkerM32 IEPE-Verstrk