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

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Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer

Theorie und Anwendung

Messgröße Beschleunigung• Verbreitetste Messgröße für mechanische

Schwingungen • SI-Einheit: m/s² (USA auch g; 1 g ≈ 9,81 m/s²) • Einfache Integration führt zur Schwing-

geschwindigkeit• Doppelintegration führt zum Schwingweg


Messgröße Beschleunigung• Geologische Untersuchungen: < 0,001 m/s²• Rennwagen bei Kurvenfahrt: bis zu 50 m/s²• Menschen verlieren das Bewusstsein: 60 m/s² • Autounfall mit Knochenbrüchen: 100 m/s²• Sicherheitsgurt verursacht Rippenbrüche: 300 m/s² • Laptop fällt aus 1 m Höhe auf Betonboden,

evt. ohne Beschädigung: bis zu 20000 m/s²• Ballistik und Explosionstests: 100000 m/s²



Piezoelektrischer Effekt• Piezokeramik und Quarz erzeugen eine

Ladungsverschiebung wenn eine Kraft auf sie einwirkt

KraftLadungPiezokonstante

FqdPiezoscheibe

F q

F

q = d F.


Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer• Ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer

besteht aus einem piezoelektrischen Material und einer seismischen Masse

• Die erzeugte Ladung ist proportional zur Beschleunigung

F = m a

Ladungs-empfindlichkeit:B = q

aqa Beschleunigung a

mSeismische

Masse

Piezokeramik

q .


Aufbau von Beschleunigungsaufnehmern• Beispiel: Scher-Beschleunigungsaufnehmer mit

ringförmiger Piezokeramik• Die Trägheitskraft der seismischen Masse erzeugt ein

elektrisches Signal an den Elektroden des Piezomaterials

Sch

erkr

aft

Kappe

Buchse

PiezokeramikMittelbolzen

Boden

Seismische Masse

Ring-Scherkeramik:


Andere Typen von SchwingungsaufnehmernIm Vergleich mit Piezo-Beschleunigungsaufnehmern:

Sensortyp Vorteile NachteilePiezoresistiv(auf Basis von Dehnungs-messstreifen)

• Misst statische Beschleunigung

• Robust

• Beschränkte Auflösung• Nur bis zu einigen kHz• Spannungsquelle erforderlich

Elektrodynamisch(auch Geophone)

• Misst Schwing-geschwindigkeit

• Nur für tiefe Frequenzen• Zerbrechlich

Kapazitiv • Misst statische Beschleunigung

• Kostengünstige Herstellung mit Halbleiterprozessen

• Geringe Auflösung• Zerbrechlich


Vorteile von Piezo-Beschleunigungsaufnehmern Sehr großer Dynamikumfang, praktisch rauschfrei,

für Stoßmessung ebenso geeignet wie für geringste Erschütterungen

Hervorragende Linearität über den Dynamikbereich

Breiter Frequenzbereich, bis in den Ultraschallbereich einsetzbar

Kleine Bauformen bei hoher Empfindlichkeit Keine beweglichen Teile, hohe Lebensdauer Selbstgenerierendes Prinzip, keine

Spannungsquelle erforderlichAber: Nicht geeignet für statische Beschleunigung


Ladungs- und IEPE-Aufnehmer• Ladungsaufnehmer liefern direkt das vom Piezomaterial

erzeugte elektrische SignalNachteil: Maximale Kabellänge ca. 10 m, störarme Spezialkabel erforderlich

• IEPE-Aufnehmer besitzen einen integrierten Verstärker.Vorteil: Kabellängen von mehreren hundert Metern

möglich, Standard-Koaxialkabel ausreichend Nachteil: Eingeschränkter Betriebstemperaturbereich,

Eingeschränkte AussteuerbarkeitAndere Herstellerbezeichnungen für IEPE:ICP®, CCLD, Isotron®, Deltatron®, Piezotron®

IEPE-Beschleunigungsaufnehmer• Die eingebaute Elektronik wird mit

Konstantstrom versorgt• Versorgungsstrom und Sensorsignal werden

über das gleiche Kabel übertragen



IEPE-BeschleunigungsaufnehmerAussteuerbarkeit

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

maximale Sensorspannung = Versorgungsspannung

der Konstantstromquelle(24 bis 30 V)

Sättigungsspannung(ca. 0,5 V)

Arbeitspunktspannnung(8 bis 12 V)

negative Übersteuerung

Aus

steu

erbe

reic

h

0V

positive Übersteuerung


Aufnehmerdaten: Empfindlichkeit• Die Empfindlichkeit von Ladungsaufnehmern wird in pC / m/s² oder pC / g angegebenTypische Werte: 0,1 – 100 pC/ms² oder 1 – 1000 pC/g

• Die Empfindlichkeit von IEPE-Aufnehmer wird in mV / m/s² oder mV / g angegebenTypische Werte: 1 - 1000 mV/ms² oder 10 – 10 000 mV/g

• Die im Datenblatt angegebene Empfindlichkeit wird meist bei 80 Hz gemessen


Aufnehmerdaten: Frequenzgang• Ein typischer Beschleunigungsaufnehmer hat eine

Resonanzfrequenz zwischen 10 – 30 kHz• Der 3 dB-Frequenzbereich erstreckt sich üblicherweise

etwa bis zur Hälfte der Resonanzfrequenz

fr0,5fr0,3fr

f

1,00

1,10

1,30

rel.Ampl.

10 % Fehler

30 % Fehler

f r

0,7

f l

+/- 3 dB Frequenzbereich


Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers1. Kriterium: Beschleunigungsamplitude

• Sehr niedrig: Seismische Beschleunigungsaufnehmer(...µm/s² bis 1 m/s²)

• Mittel:Standard-Beschleunigungsaufnehmer(1 bis 10 000 m/s²)

• Sehr hoch:Stoß-Beschleunigungsaufnehmer (> 10 000 m/s²)

KB12

KS76

KS93

Beispiele:


Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers2. Kriterium: AufnehmermasseDie Masse des Aufnehmers sollte 10 % der Messobjektmasse nicht überschreiten, damit das Schwingungsverhalten nicht verfälscht wird

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

Beispiel:

KS91

KS94


Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers3. Kriterium: Umgebungsbedingungen

• Feuchtigkeit und Staub: Industrie-Beschleunigungsaufnehmer(mit Schutzgrad IP67 oder höher)

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

KS81

Beispiele:

KS80

KS74


Befestigung von Beschleunigungsaufnehmern

Übertragung:

Max. Frequenz:

gut schlecht

> 20 kHz < 1 kHz< 5 kHz

Gewinde-stutzen

Direkt-Klebung

Klebe-flansch

Isolier-flansch

Haft-magnet

Tast-spitze


Typische Montagefehler• Für höchste Messgenauigkeiten, insbesondere bei

hohen Frequenzen, sollten der Aufnehmerbodenund das Messobjekt saubere, ebene, glatte, kratzerfreie und gratlose Oberflächen haben

• Eine starre mechanische Verbindung zwischen Aufnehmer und Messobjekt ist wichtig. Bleche oder Kunststoffteile sowie andere dünne, flexible Messpunkte sind ungeeignet für die Aufnehmermontage

uneben rau flexibelF

Aufnehmerverkabelung• Kabellänge für Aufnehmer mit Ladungsausgang

max. 10 m (störarmes „low noise“ Kabel)• Steckverbindungen sauber und trocken halten

(Leckströme)• Aufnehmerkabel von elektromagnetischen

Störquellen fernhalten• Nicht parallel zu Starkstromleitungen führen


Aufnehmerverkabelung• Aufnehmerkabel sollen keine Relativbewegung

zum Sensor ausführen, um Krafteinleitung zu vermeiden

• Möglichkeiten der Kabelbefestigung:


Vermeidung von Erdschleifen• Erdschleifen entstehen bei langen Aufnehmer-

kabeln und in der Umgebung leistungsstarker elektrischer Maschinen, die starke Ausgleichs-ströme im Erdungssystem hervorrufen

• Sie äußern sich durch Störanteile bei 50 oder 100 Hz, bei Wechselrichtern auch hochfrequent


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

Schlecht:

Besser:

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Messtechnik für Ladungsaufnehmer• Ladungsaufnehmer erfordern Messgeräte mit

Ladungseingang oder sehr hochohmigem Spannungseingang

• Ein Ladungsverstärker ist ein Differenzverstärker mit kapazitiver Rückkopplung R

C

-

+

GND

Aufnehmer

q

vout

inf

f

q f


Messtechnik für IEPE-Aufnehmer• Aufnehmer mit integrierter IEPE-Elektronik benötigen

eine Versorgung mit Konstantstrom zwischen 2 und 20 mA über die Messleitung

• Die Konstantstromquelle kann Teil des Messgerätes oder ein separates Gerät sein

IntegrierterLadungswandler

Messgerät

I

Q UPiezo-system

C

Koaxialkabel,einige 100 m lang

IEPE-Aufnehmer

c

const

Konstant-stromquelle

Entkopplung


Messverstärker

M68-SerieLadungs- und IEPE-Verstärker

M208 8-Kanal-IEPE-

VerstärkerM32 IEPE-Verstärker

M28 IEPE-Versorgung


TEDS-Beschleunigungsaufnehmer TEDS = Transducer Electronic Data Sheet (IEEE 1451.4)Neue Zusatzfunktion für IEPE-AufnehmerDer Aufnehmer besitzt einen 256 Byte-Speicher für:

Typ- und Versionsnummer Seriennummer Hersteller Aufnehmerart, physikalische Größe Empfindlichkeit Kalibrierdatum Anwenderspezifische Angaben zum

Messpunkt


Vorteile von TEDS-Aufnehmern• Einfache Aufnehmeridentifikation, besonders bei

hohen Kanalzahlen• Keine Kabelverfolgung und –kennzeichnung

erforderlich• Selbstkalibrierung des Messsystems. Keine

manuelle Eingabe von Seriennummer, Messgröße, Empfindlichkeit etc.

• Aufnehmertausch ohne Setup ("plug & play")• Der Aufnehmer kann auch genutzt werden, wenn

kein Datenblatt zur Hand ist


Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern• Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind

sehr langzeitstabil. Ein Kalibrierintervall von 2 Jahren genügt in der Regel

• Bei hoher Beanspruchung, z.B. durch Stöße und starke Temperaturwechsel, empfehlen sich kürzere Kalibrierintervalle

• Der Sensor oder die gesamte Messkette können an ein Werks- oder DKD-Kalibrierlabor eingesandt werden

• Alternativ dazu kann die Anschaffung eigener Kalibriertechnik sinnvoll sein


Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern SchwingungskalibratorenVC20 / VC21

VC110

• Frequenzen: 15,92 / 40 / 80 / 159,2 / 320 / 640 / 1280 Hz• Schwingpegel: 1 / 2 / 5 /10 / 20 m/s²• Max. Aufnehmermasse: 600 g

• Frequenzbereich: 70 - 10000 Hz• Schwingpegel: 1 m/s²• Max. Aufnehmermasse : 400 g• Anzeige der Empfindlichkeit• PC-Steuerung• Frequenzgangmessung


Kalibrierung von BeschleunigungsaufnehmernFehlerbetrachtung an einem typischen Beispiel:• Aufnehmer: Grundfehler 2 %

Frequenzfehler (5 %-Grenze) 5 %Linearitätsfehler 2 %Äußere Störeinflüsse 5 %

• Nachfolgeelektronik mit Effektivwertbildung:Grundfehler 1 %Frequenzfehler (5 %-Grenze) 5 %Linearitätsfehler 1 %Kurvenformfehler 1 %

• Quadratische Addition der Einzelfehler: Messunsicherheit 9 %

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