Ein Beschleunigungsmesser ist ein Sensor, der Beschleunigungsinformationen in elektrische Signale umwandelt. Er besteht typischerweise aus einem Massenblock, einem Dämpfungsmechanismus, einem elastischen Körper, einem Sensorelement und Debugging-Komponenten.
Prinzip
Während der Beschleunigung des Sensors und des zu messenden Objekts wird die auf den Massenblock wirkende Trägheitskraft gemessen und der Beschleunigungswert mit Hilfe der Formel a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (zweites Newtonsches Gesetz) berechnet.
Typen (basierend auf Sensorelementen)
- Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser
- Kapazitiver Beschleunigungsmesser
- Dehnungsmessstreifen-Beschleunigungsmesser
- Piezoresistiver Beschleunigungsmesser
- Induktiver Beschleunigungsmesser
- Servo-Beschleunigungsmesser
Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser
Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser (Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser):
Funktionsprinzip: Nutzt den piezoelektrischen Effekt von piezoelektrischer Keramik oder Quarzkristallen. Bewegt sich der Beschleunigungsmesser, ändert sich die vom Massenblock auf das piezoelektrische Element ausgeübte Kraft. Dadurch verformt sich die piezoelektrische Keramik oder der Quarzkristall und erzeugt ein elektrisches Signal. Dieses Signal ist proportional zur Beschleunigung und zeigt somit Beschleunigungsänderungen an. Hinweis: Die Schwingungsfrequenz des Messobjekts muss deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz des Beschleunigungsmessers liegen.
Vorteile : Hohe Empfindlichkeit, hohes Signal-Rausch-Verhältnis, großer Dynamikbereich, breiter Frequenzbereich, einfache Struktur, einfache Installation, lange Lebensdauer.
Nachteile : Hohe Resonanzfrequenz, anfällig für Schallstörungen; hohe Ausgangsimpedanz, schwaches Ausgangssignal, Verstärkungsschaltungen zur Detektion erforderlich.
Piezoelektrisches IEPE-Beschleunigungsmesserprofil vom Schertyp
MEMS-kapazitiver Beschleunigungsmesser
Kapazitiver Beschleunigungsmesser (Variabler kapazitiver Beschleunigungsmesser):
Funktionsprinzip: Basierend auf dem Kapazitätsprinzip, bei dem sich der Abstand zwischen den Elektroden ändert. Eine Elektrode ist fixiert, die andere besteht aus einer flexiblen Membran. Unter dem Einfluss äußerer Kräfte (z. B. Luft- oder Hydraulikdruck) bewegt sich die Membran, wodurch sich die Kapazität ändert. Dieser Sensortyp kann die Schwingungsgeschwindigkeit (Beschleunigung) in Luft- oder Flüssigkeitsströmungen sowie den Druck messen.
MEMS-Variabler kapazitiver Beschleunigungsmesser:
Funktionsprinzip: Das Sensorelement besteht aus drei miteinander verbundenen monokristallinen Siliziumscheiben. Die obere und untere Scheibe bilden zwei feste Elektroden, während die mittlere Scheibe, die chemisch geätzt ist und eine flexible Membran bildet, die eine starre zentrale Masse trägt, als Sensorelement dient. Die Dicke der Membran bestimmt den Messbereich des Sensors. In die Membran sind kleine Löcher geätzt. Bewegt sich die Membran mit der Masse, strömt Luft durch die Löcher und erzeugt so eine Dämpfungskraft. Die Änderung der Kapazität führt zu einer Stromänderung, die die Beschleunigung anzeigt.
Vorteile : Gute Niederfrequenzeigenschaften, hohe Empfindlichkeit, ausgezeichnete Umweltverträglichkeit, minimaler Temperatureinfluss. Geeignet für die Messung dynamischer und stationärer Beschleunigungen, Niederfrequenzmessungen bei niedrigen G-Belastungen und unempfindlich gegenüber starken G-Stößen.
Nachteile : Nichtlineare Eingangs-Ausgangs-Beziehung, hohe Ausgangsimpedanz, geringe Belastbarkeit, stark beeinflusst durch die Kabelkapazität.
Anwendungsgebiete : Beschleunigungs- und Verzögerungstests in Aufzügen, Flattertests an Flugzeugen, Start- und Flugtests von Raumfahrzeugen, unersetzlich in Bereichen wie Airbags und Mobilgeräten.
Dehnungsmessstreifen-Beschleunigungsmesser
Dehnungsmessstreifen-Beschleunigungsmesser:
Funktionsprinzip: Ein Massenblock ist an einem Ende eines Kragarms befestigt, dessen anderes Ende mit der Sensorbasis verbunden ist. An beiden Seiten des Kragarms sind Dehnungsmessstreifen angebracht, die eine Wheatstone-Brücke bilden. Der Bereich um Massenblock und Kragarm ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit (z. B. Silikonöl) gefüllt, um die notwendige Dämpfungskraft zu erzeugen. Die Bewegung des Messobjekts versetzt den Sensor in Bewegung, und die Basis überträgt diese Bewegung über den Kragarm auf den Massenblock. Die Trägheitskraft verformt den Kragarm und bewirkt so eine Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen. Bei konstanter Anregung erzeugt die Wheatstone-Brücke ein Spannungssignal, das proportional zur Beschleunigung ist und somit deren Wert anzeigt.
Vorteile : Hohe Präzision, großer Messbereich, einfacher Aufbau, guter Frequenzgang, einfache Miniaturisierung und Integration.
Nachteile : Große Nichtlinearität bei hohen Dehnungen, schwaches Ausgangssignal, das eine Kompensation erfordert; höhere Messgenauigkeit führt zu erhöhter Fragilität.
Piezoresistiver Beschleunigungsmesser
MEMS-piezoresistiver Beschleunigungsmesser:
Prinzip: Ausgehend vom piezoresistiven Effekt von Halbleitermaterialien (monokristallines Silizium) werden die Kernkomponenten (Massenblock, Kragarm und Halterung) aus einem einkristallinen Siliziumwafer geätzt, und Widerstände werden an der Basis des Kragarms diffundiert, um eine Wheatstone-Brücke zu bilden.
Vorteile : Niedrige Ausgangsimpedanz, hoher Ausgangssignalpegel, geringes Eigenrauschen, geringe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen und elektrostatischen Störungen, einfache Signalaufbereitung; minimale Nullpunktdrift bei hoher Stoßbeschleunigung; breites Frequenzband.
Nachteile : Geringe Empfindlichkeit, starke Temperatureinflüsse.
Anwendungsgebiete : Integriert in verschiedene analoge und digitale Schaltungen, weit verbreitet in der Schwingungs- und Stoßmessung, Flatteruntersuchungen usw., wie z. B. bei Automobil-Crashtests, Testgeräten und Schwingungsüberwachung.
Induktiver Beschleunigungsmesser
Induktive Beschleunigungsmessung:
Prinzip: Basierend auf elektromagnetischer Induktion bewegt sich der Massenblock des Sensors innerhalb einer Spule und verändert so die Selbstinduktivität oder Gegeninduktivität der Spule. Diese Änderung wird dann vom Messkreis in eine Spannungs- oder Stromänderung umgewandelt und zeigt so Änderungen der Beschleunigung an.
Vorteile : Einfache Struktur, zuverlässiger Betrieb, hohe Messgenauigkeit, stabiler Nullpunkt, relativ hohe Ausgangsleistung.
Nachteile : Empfindlichkeit, Linearität und Messbereich sind voneinander abhängig; die Auflösung des Sensors hängt vom Messbereich ab. Ein großer Messbereich führt zu einer geringeren Auflösung und umgekehrt; hohe Stabilität von Anregungsfrequenz und -amplitude erforderlich; der Eigenfrequenzgang des Sensors ist gering, wodurch er für dynamische Hochgeschwindigkeitsmessungen ungeeignet ist.
Servo-Beschleunigungsmesser
Servo-Beschleunigungsmesser:
Funktionsprinzip: Das Vibrationssystem des Sensors besteht aus einem „mk“-System, ähnlich einem Standard-Beschleunigungsmesser, jedoch mit einer am Massenblock befestigten elektromagnetischen Spule. Wird eine Beschleunigung auf die Basis ausgeübt, weicht der Massenblock aus seiner Gleichgewichtslage aus. Diese Auslenkung wird von einem Wegsensor erfasst, von einem Servoverstärker verstärkt und in einen Stromausgang umgewandelt. Dieser Strom fließt durch die elektromagnetische Spule in einem permanenten Magnetfeld und erzeugt eine Rückstellkraft, die den Massenblock in seine ursprüngliche Gleichgewichtslage zurückführt. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis.
Vorteile : Ein geschlossenes Testsystem mit exzellenter Dynamik, großem Dynamikbereich und guter Linearität. Die Rückkopplung erhöht die Störfestigkeit, verbessert die Messgenauigkeit und erweitert den Messbereich. Servo-Beschleunigungsmesser werden häufig in Trägheitsnavigations- und Leitsystemen sowie in hochpräzisen Schwingungsmessungen und -kalibrierungen eingesetzt.
Nachteile : Hohe Kosten.
Technische Indikatoren
Die primären Betriebsindikatoren von Sensoren werden in effektive Reaktion und Störreaktion .
Effektives Ansprechverhalten : Die Reaktion des Sensors in Richtung der empfindlichen Achse aufgrund mechanischer Vibrationen oder Stöße. Dieses Ansprechverhalten ist für eine zuverlässige Datenmessung erwünscht.
Störsignal : Die Reaktion des Sensors, die durch andere physikalische Faktoren bei der Messung mechanischer Schwingungen oder Stöße verursacht wird. Dieses Störsignal beeinträchtigt die korrekte Messung und ist unerwünscht.
Effektives Ansprechverhalten – Wichtigste technische Indikatoren : Empfindlichkeit, Amplituden-Frequenzgang und Phasen-Frequenzgang; Nichtlinearität.
Technische Hauptindikatoren für Störsignale : Temperaturverhalten, Empfindlichkeit gegenüber transienten Temperaturen, Empfindlichkeit gegenüber Querbewegungen, Empfindlichkeit gegenüber Drehbewegungen, Empfindlichkeit gegenüber Basisdehnung, magnetische Empfindlichkeit, Empfindlichkeit gegenüber dem Installationsdrehmoment und Verhalten in besonderen Umgebungen.
Sensorauswahl
Der Schwerpunkt liegt auf folgenden Indikatoren:
- Sensortyp
- Reichweite
- Empfindlichkeit
- Frequenzgangbandbreite
- Gewicht
