Accelerometertypen

Bei den meisten Vibrationsuntersuchungen sind Kenntnisse von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg erforderlich. Dies sind die Variablen, die Ingenieure beim Entwurf oder der Überprüfung einer Struktur interessieren. Ganz allgemein stellt der g-Wert einen guten Bezugspunkt dar, aber die Variablen, die in den meisten Designberechnungen benötigt werden, sind Geschwindigkeit und Weg.

Um Geschwindigkeit und Weg aus der Messwertausgabe für Beschleunigung abzuleiten, wird das Signal des Beschleunigungsmessers ein- oder zweimal auf analoger bzw. digitaler Ebene integriert. Hier können bei einem Beschleunigungssensor mit AC-Ansprechen Probleme auftreten. Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, mit einem Beschleunigungssensor mit AC-Ansprechen soll ein Halbsinus-Eingangsimpuls mit langer Dauer gemessen werden. Der Ausgang dieses Sensors kann den Spitzenwert des Halbsinuseingangs aufgrund der intrinsischen Beschränkung durch die RC-Zeitkonstante niemals ganz korrekt erfassen. Am Ende des Halbsinusimpulses erzeugt der Ausgang des AC-gekoppelten Beschleunigungsmessers aus eben diesem Grund eine Unterschwingung (Offset). Die rote Linie in der Abbildung unten stellt den Ausgang eines AC-gekoppelten Sensors nach einem Halbsinus-Eingangsimpuls mit langer Dauer dar.

Diese scheinbar geringfügigen Amplitudenabweichungen können zu gravierenden Fehlern bei der numerischen Integration führen¹. Bei einem Sensor mit DC-Ansprechen besteht dieses Problem nicht, weil er dem sich langsam bewegenden Eingangsimpuls präzise folgen kann. In konkreten Alltagsanwendungen ähneln physische Eingänge zwar nicht Halbsinusimpulsen, das Grundproblem besteht aber weiter und stellt sich immer dann, wenn mittels eines Sensors mit DC-Ansprechen langsame Bewegungen verfolgt werden müssen. Werfen wir jetzt einen Blick auf die verschiedenen gängigen Technologien für Beschleunigungsmesser.

In den allermeisten piezoelektrischen Sensoren wird Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik eingesetzt. Dieser Werkstoff bietet einen sehr breiten Temperaturbereich, einen großen dynamischen Bereich und eine breite Bandbreite (nutzbar bis >10 kHz).

Ein Beschleunigungsmesser mit Lademodus, der dann noch in einem hermetischen, geschweißten Metallgehäuse untergebracht ist, gilt aufgrund seiner Fähigkeit, rauen Umweltbedingungen standhalten zu können, als einer der langlebigsten Sensoren. Aufgrund der sehr hohen Impedanz der Piezokeramik muss bei einem Gerät mit Lademodus ein rauscharmes abgeschirmtes Kabel, vorzugsweise in Koaxialkonfiguration, verwendet werden. Rauscharm bezieht sich auf das geringe triboelektrische Rauschen², ein bewegungsinduziertes Störsignal aus dem Kabel selbst. Diese speziellen störungsarmen Kabel sind in der Regel bei den Sensorherstellern erhältlich. Um Probleme im Zusammenhang mit paralleler Kabelkapazität zu vermeiden, wird beim Anschließen an Beschleunigungsmesser mit Lademodus im Allgemeinen ein Ladungsverstärker verwendet. Bei einem modernen Ladungsverstärker lässt sich der große Dynamikbereich (>120 dB) des Sensors mit Lademodus problemlos erreichen.

Aufgrund des breiten Betriebstemperaturbereichs von piezoelektrischer Keramik können einige Geräte mit Lademodus bei -200 °C bis +640 °C und darüber eingesetzt werden. Diese Sensoren sind besonders für Vibrationsmessungen bei extremen Temperaturen wie bei der Überwachung von Turbinenmotoren geeignet.

Der andere Typ piezoelektrischer Beschleunigungssensor bietet statt eines Ladungs- einen Spannungsausgang.

Dies wird erreicht, indem der Ladungsverstärker in das Gehäuse des Beschleunigungsmessers integriert wird. Geräte mit Spannungsmodus arbeiten mit 3-Leiter-Technik (Signal, Masse, Strom) oder 2-Leiter-Technik (Strom/Signal, Masse). Der 2-Leiter-Modus ist auch als Integral Electronics PiezoElectric (IEPE) bekannt.  Aufgrund seiner praktischen Koaxial (2-Leiter)-Konfiguration, bei der die Gleichstromleitung mit dem AC-Signal überlagert wird, ist IEPE am beliebtesten. Um die DC-Vorspannung aus dem Signalausgang des Sensors zu entfernen, ist ein Sperrkondensator notwendig. Viele moderne Signalanalysatoren bieten einen optionalen IEPE/ICP³-Eingang, der einen direkten Anschluss an IEPE-Beschleunigungsmesser ermöglicht. Ist die Möglichkeit einer IEPE-Stromversorgung nicht verfügbar, muss ein Signalkonditionierer/Netzteil mit Konstantstrom für den Anschluss an diesen Typ von Beschleunigungsmesser verwendet werden. Geräte mit 3-Leiter-Modus erfordern eine separate DC-Stromversorgung für den ordnungsgemäßen Betrieb.

Im Gegensatz zu einem Gerät mit Lademodus, das nur Sensorelemente aus Keramik enthält, ist in Geräten mit Spannungsmodus ein mikroelektronischer Schaltkreis integriert, der die Betriebstemperatur des Geräts auf die maximale Betriebstemperatur der Elektronik begrenzt, normalerweise höchstens +125 °C. Bei einigen Designs ist sogar eine Betriebstemperatur von über 175 °C möglich. Dies geht allerdings zu Lasten anderer Leistungsmerkmale.

Noch eine Bemerkung zum nutzbaren Dynamikbereich: Aufgrund des außergewöhnlich breiten dynamischen Bereichs bei piezoelektrischen Keramikelementen sind Beschleunigungsmesser mit Lademodus die flexibelste Lösung in Bezug auf die Skalierbarkeit, da der vollständige Messbereich des Systems vom Benutzer über den externen Ladungsverstärker eingestellt werden kann. Bei Geräten mit Spannungsmodus wiederum wird der vollständige Messbereich durch den internen Verstärker vorab werkseitig festgelegt und lässt sich nicht ändern.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind in sehr kleinen Bauformen erhältlich. Dies macht sie zu einer geeigneten Lösung für dynamische Messungen in Leichtbaukonstruktionen.

Der kapazitive Typ (basierend auf den Kapazitätsänderungen in der seismischen Masse unter der Einwirkung von Beschleunigung) ist die momentan am häufigsten verwendete Technik bei Beschleunigungsmessern. Sensoren dieses Typs sind deshalb so verbreitet, weil sie in verbreiteten kommerziellen Anwendungen wie Airbags und Mobilgeräten verwendet werden. Sie nutzen Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)-Fertigungstechnologie, mit der bei hochvolumigen Anwendungen Skaleneffekte zum Tragen kommen und so die Fertigungskosten gesenkt werden können. Allerdings müssen bei diesem günstigen kapazitiven Beschleunigungsmessertyp ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis und ein begrenzter Dynamikbereich in Kauf genommen werden.

Eine gemeinsame inhärente Eigenschaft aller kapazitiven Sensoren ist ihr interner Takt. Die Taktfrequenz (~500kHz) ist ein integraler Bestandteil des Strommesskreises, da diese aufgrund von internen Ableitströmen unweigerlich im Ausgangssignal enthalten ist. Das Hochfrequenzrauschen kann durchaus außerhalb des für uns relevanten Messbereichs des Beschleunigungsmessers liegen, ist jedoch immer im Signal vorhanden. Aufgrund seines integrierten Verstärkers/IC ist die elektrische 3-Leiter-Schnittstelle (oder 4-Leiter für differenziellen Ausgang) relativ unkompliziert und erfordert nur eine stabile DC-Spannungsquelle zur Stromversorgung.

Die Bandbreite von kapazitiven Beschleunigungsmessern ist meist auf einige hundert Hertz begrenzt (einige Designs bieten bis 1500 Hz). Dies liegt zum Teil an ihrer physischen Geometrie und der schweren Gasdämpfung. Eine kapazitive Sensorstruktur begünstigt außerdem den unteren Bereich der Beschleunigungsmessung. Der maximale Bereich ist typischerweise auf weniger als 200 g begrenzt. Von diesen Einschränkungen abgesehen bieten moderne kapazitive Beschleunigungsmesser, insbesondere Sensoren der Instrumentenklasse, eine gute Linearität und eine hohe Ausgangsstabilität.

Kapazitive Beschleunigungsmesser eignen sich am besten für Anwendungen beim On-Board-Monitoring, bei denen die Kosten eine große Rolle spielen. Sie eignen sich für die Messung von Bewegungen mit niedriger Frequenz und niedriger g-Kraft, z. B. Vibrationsmessungen im Tiefbau.

Die piezoresistive Messtechnik ist die andere verbreitete Sensortechnik für DC-Beschleunigungsmesser. Statt (wie bei einem kapazitiven Sensor) die Kapazitätsänderungen in der seismischen Masse zu messen, erzeugt ein piezoresistiver Beschleunigungsmesser Widerstandsänderungen in den Dehnungsmessstreifen, die Teil des seismischen Systems des Beschleunigungsmessers sind. Die meisten Ingenieure sind mit Dehnungsmessstreifen vertraut und wissen, wie der Anschluss an ihren Ausgang zu handhaben ist.

Der Ausgang der meisten piezoresistiven Designs reagiert im Allgemeinen empfindlich auf Temperaturschwankungen. Daher muss der Ausgang intern oder extern temperaturkompensiert werden. Moderne piezoresistive Beschleunigungsmesser umfassen eine ASIC für alle Formen der On-Board-Signalaufkonditionierung sowie In-situ-Temperaturkompensation.

Die Bandbreite von piezoresistiven Beschleunigungsmessern kann bis zu 7.000 Hz erreichen. Viele piezoresistive Designs sind entweder gasgedämpft (MEMS-Typen) oder flüssigkeitsgedämpft (Folien-DMS-Typ). Das Dämpfungsverhalten kann einen wichtigen Faktor bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers darstellen. Bei Anwendungen, bei denen der mechanische Eingang sehr hochfrequentige Eingangssignale enthalten kann (oder eine Hochfrequenzreaktion erregen kann), kann ein Beschleunigungsmesser Sensorschwingungen (Resonanz) verhindern und den Dynamikbereich beibehalten oder verbessern. Der piezoresistive Sensorausgang ist differenziell und rein ohmscher Natur, deshalb ist das Signal-Rausch-Verhalten generell hervorragend; sein dynamischer Bereich wird nur durch die Qualität des DC-Brückenverstärkers begrenzt. Bei Stoßmessungen mit sehr hohen g-Kräften lassen sich mit einigen piezoresistiven Designs Beschleunigungen von weit über 10.000 g messen.

Aufgrund der breiteren Bandbreite sind piezoresistive Beschleunigungsmessertypen am besten für Impuls-/Aufprallmessungen geeignet, bei denen der Frequenzbereich und die g-Kraft in der Regel sehr hoch sind. Als Sensortyp mit DC-Ansprechen kann man aus ihrer Beschleunigungsausgabe sehr genau und ohne Integrationsfehler die gewünschten Geschwindigkeits- und Weginformationen ableiten. Piezoresistive Beschleunigungsmesser werden sehr häufig bei Fahrzeugsicherheitstests, Waffentests und Messungen von stärkeren Stößen über dem nutzbaren Bereich von Beschleunigungsmessern mit variabler Kapazität eingesetzt.

1. A. G. Piersol, T.L. Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed.,
p.10.9, McGraw-Hill, 2010

2. A. G. Piersol, T.L. Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed.,
p.15.19, McGraw-Hill, 2010

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