Beschleunigungsmesser

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Die Wahl des richtigen Beschleuni-gungsmessertyps

Die Wahl des Instruments wirkt sich stets auf die Messergebnisse aus. Die nachfolgenden Informationen sollen dem Leser verständlich machen, worauf es bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers ankommt.

Es gibt zwei allgemeine Klassen von Beschleunigungsmessern:
AC-Ansprechen (dynamisch) und DC-Ansprechen (statisch). 

Bei einem AC-Ansprech-Beschleunigungsmesser ist, wie der Name schon sagt, der Ausgang AC-gekoppelt. Ein AC-gekoppelter Sensor kann beispielsweise nicht statische Beschleunigung wie Schwerkraft und konstante Zentrifugalbeschleunigung messen. Er eignet sich nur für dynamische Anwendungen.

Ein Beschleunigungsmesser mit DC-Ansprechen dagegen ist DC-gekoppelt und kann auf bis zu Null 0 Hertz ansprechen. Daher kann er sowohl statische als auch dynamische Beschleunigung messen. Die Eignung für die Messung der statischen Beschleunigung ist aber nicht der einzige Grund, warum ein Beschleunigungsmesser mit DC-Ansprechen bevorzugt werden sollte.

Beschleunigungsmesser
BESCHLEUNIGUNG, GESCHWINDIGKEIT, WEG

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.

Beschleunigungsmesser Grafik
Beschleunigungsmesser

Die meisten gängigen Beschleunigungsmesser mit AC-Ansprechen verwenden piezoelektrische Elemente für ihren Sensormechanismus. Bei Beschleunigungen bewirkt die seismische Masse des Beschleunigungsmessers über das piezoelektrische Element eine Ladungsverschiebung. Dadurch wird ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das sich proportional zur Beschleunigung verhält. In Bezug auf ihre elektrische Wirkung ähneln die piezoelektrischen Elemente einem Kondensator mit einem endlichen Innenwiderstand, typischerweise in der Größenordnung von 109 Ohm. Dies bildet die RC-Zeitkonstante, die die Hochpasseigenschaften des Sensors definieren. Aus diesem Grund kann ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser nicht zur Messung von statischen Ereignissen verwendet werden. Piezoelektrische Elemente können natürlichen Ursprungs oder künstlich hergestellt sein.  Sie weisen unterschiedliche Transduktionseffizienzen und Linearitätseigenschaften auf. Es sind zwei Typen von piezoelektrischen Beschleunigungsmessern erhältlich – mit Ladungsausgang und mit Spannungsausgang.

AC-Beschleunigungsmesser
PIEZOELEKTRISCHER BESCHLEUNIGUNGSMESSER MIT LADEMODUS

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.

PIEZOELEKTRISCHER BESCHLEUNIGUNGSMESSER MIT SPANNUNGSMODUS

Der andere Typ piezoelektrischer Beschleunigungsmesser 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.

Beschleunigungsmesser

Bei der Herstellung von DC-Beschleunigungsmessern kommen zwei verbreitete Sensortechniken zum Einsatz:
Die kapazitive und die piezoresistive Messtechnik.

DC-Beschleunigungsmesser
KAPAZITIV

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.

 

PIEZORESISTIV

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.

 

Beschleunigungsmesser

Jede Beschleunigungsmessertechnologie hat ihre Vorteile und geht mit Kompromissen einher. Vor der Auswahl eines bestimmten Beschleunigungsmessers sollten Sie die grundlegenden Unterschiede der verschiedenen Typen und die Testanforderungen kennen.

Verwenden Sie vor allem nur DC-Ansprech-Beschleunigungsmesser, um statische oder sehr niederfrequente (<1Hz) Beschleunigungen zu messen, oder wenn Geschwindigkeits- und Weginformationen aus den Beschleunigungsdaten abgeleitet werden sollen. Sowohl Beschleunigungsmesser mit DC-Ansprechen als auch mit AC-Ansprechen können dynamische Ereignisse messen. Wenn Sie nur an dynamischen Messungen interessiert sind, ist die Wahl zwischen einem Gerät mit DC-Ansprechen und einem mit AC-Ansprechen im Prinzip eine Frage der persönlichen Präferenz. Einige Benutzer wollen sich nicht mit dem Nullversatz eines DC-Ansprech-Sensors auseinandersetzen müssen und bevorzugen den AC-gekoppelten Single-Ended-Ausgang der piezoelektrischen Typen. Andere Benutzer stört der Nullversatz und die vier Leitungen (oder 3-Leiter im Single-Ended-Modus) weniger und sie schätzen die Möglichkeit der Widerstandskalibrierung und der Funktionstests (2-g-Umschlag) von Beschleunigungsmessern mit DC-Ansprechen. Zusammenfassung:

Ein piezoelektrisches Design mit Lademodus ist aufgrund seiner einfachen Bauweise und der robusten Materialeigenschaften der langlebigste Beschleunigungsmesser.

Bei dynamischen Messanwendungen mit hohen Temperaturen (>150 °C) ist ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser mit Lademodus eine nahe liegende Wahl; oder in den meisten Fällen das einzige in Frage kommende Design. Bei einem Gerät mit Lademodus sollten wegen des niederohmigen Ausgangs ein rauscharmes Koaxialkabel und ein externer Ladungsverstärker (oder ein In-Line-Ladungswandler) zur Konditionierung seines Ladungsausgangs verwendet werden.

Piezoelektrik mit Spannungsmodus ist der am häufigsten verwendete Beschleunigungsmessertyp für dynamische Messungen. Dieser Typ weist eine kompakte Größe auf, bietet eine große Bandbreite und verfügt über einen integrierten Ladungswandler, der einen direkten Anschluss an viele moderne Signalanalysatoren und Datenerfassungssysteme (jene mit integrierter IEPE/ICP-Stromquelle) ermöglicht. Piezoelektrik mit Spannungsmodus ist typischerweise auf Anwendungen über 125 °C begrenzt, aber es muss nicht länger ein rauscharmes Koaxialkabel wegen des niederohmigen Ausgangs verwendet werden.

Das kapazitive Design bietet ein kritisch gedämpftes bis überdämpftes Ansprechverhalten und eignet sich deshalb besonders gut für niederfrequente Messungen. Die kostengünstige SMD-Klasse an Geräten ist für Automobilanwendungen und Konsumgüteranwendungen mit hohen Stückzahlen geeignet, bei denen absolute Genauigkeit nicht von entscheidender Bedeutung ist. Die etwas teureren kapazitiven MEMS-Siliziumbeschleunigungsmesser der Instrumentenklasse weisen eine gute Vorspannungsstabilität auf und sind sehr rauscharm. Kapazitive Beschleunigungsmesser bieten einen niederohmigen Ausgang und einen Full Scale Output (FSO) von ±2 V bis ±5 V. Bei den meisten Designs ist eine geregelte DC-Spannung als Stromquelle erforderlich.

Hinsichtlich ihrer Fähigkeiten bei Frequenz und dynamischem Bereich sind piezoresistive Beschleunigungsmesser eine vielseitige Lösung. Als Sensortyp mit DC-Ansprechen kann er statische Beschleunigung messen und genaue Geschwindigkeits- und Wegdaten liefern. Seine große Bandbreite erfüllt die meisten Ansprüche an dynamische Messungen. Piezoresistive Designs bieten einen unterschiedlichen Grad an Dämpfungsverhalten (von ζ =0,1 bis 0,8). Deshalb sind sie für den Einsatz unter einer Vielzahl von Testbedingungen einschließlich Stoßtests geeignet. Reine piezoresistive Beschleunigungsmesser (ohne Elektronik) sind klein und leicht, bei einem Full Scale Output (FSO) von ±100 bis ±200 mV. Die verstärkten Modelle (mit integrierter ASIC) bieten eine niedrige Ausgangsimpedanz (<100Ω) und einen Full Scale Output von ±2 V bis ±5 V.

 

Beschleunigungsmesser
VERWEISE

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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