Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer Theorie und Anwendung Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

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

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

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

Aufbau von Beschleunigungsaufnehmern Beispiel: Scher-Beschleunigungsaufnehmer mit ringförmiger Piezokeramik Die Trägheitskraft der seismischen Masse erzeugt ein elektrisches Signal an den Elektroden des Piezomaterials Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Andere Typen von Schwingungsaufnehmern Im Vergleich mit Piezo-Beschleunigungsaufnehmern: Sensortyp Vorteile Nachteile Piezoresistiv (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 Kostengünstige Herstellung mit Halbleiterprozessen Geringe Auflösung Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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 erforderlich Aber: Nicht geeignet für statische Beschleunigung Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Ladungs- und IEPE-Aufnehmer Ladungsaufnehmer liefern direkt das vom Piezomaterial erzeugte elektrische Signal Nachteil: 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 Aussteuerbarkeit Andere Herstellerbezeichnungen für IEPE: ICP®, CCLD, Isotron®, Deltatron®, Piezotron® Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

IEPE-Beschleunigungsaufnehmer Die eingebaute Elektronik wird mit Konstantstrom versorgt Versorgungsstrom und Sensorsignal werden über das gleiche Kabel übertragen Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

IEPE-Beschleunigungsaufnehmer Aussteuerbarkeit Durch Messung der Arbeitspunktspannung und der Aussteuergrenzen lässt sich eine einfache Sensorkontrolle realisieren Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Aufnehmerdaten: Empfindlichkeit Die Empfindlichkeit von Ladungsaufnehmern wird in pC / m/s² oder pC / g angegeben Typische Werte: 0,1 – 100 pC/ms² oder 1 – 1000 pC/g Die Empfindlichkeit von IEPE-Aufnehmer wird in mV / m/s² oder mV / g angegeben Typische Werte: 1 - 1000 mV/ms² oder 10 – 10 000 mV/g Die im Datenblatt angegebene Empfindlichkeit wird meist bei 80 Hz gemessen Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers Beispiele: 1. 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 Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers 2. Kriterium: Aufnehmermasse Die 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 Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers Beispiele: 3. Kriterium: Umgebungsbedingungen Feuchtigkeit und Staub: Industrie-Beschleunigungsaufnehmer (mit Schutzgrad IP67 oder höher) Elekromagnetische Felder und Erdschleifen: Industrie-Beschleunigungsaufnehmer (mit isoliertem Gehäuse) KS74 KS80 KS81 Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Befestigung von Beschleunigungsaufnehmern Gewinde-stutzen Direkt-Klebung Klebe-flansch Isolier-flansch Haft-magnet Tast-spitze Übertragung: gut schlecht Max. Frequenz: > 20 kHz < 5 kHz < 1 kHz Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Typische Montagefehler Für höchste Messgenauigkeiten, insbesondere bei hohen Frequenzen, sollten der Aufnehmerboden und 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 Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

Aufnehmerverkabelung Aufnehmerkabel sollen keine Relativbewegung zum Sensor ausführen, um Krafteinleitung zu vermeiden Möglichkeiten der Kabelbefestigung: Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

Vermeidung von Erdschleifen Falls Erdung überhaupt notwendig ist, nur ein zentraler Erdungspunkt, isolierte Sensormontage Schlecht: Besser: Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Messtechnik für Ladungsaufnehmer Ladungsaufnehmer erfordern Messgeräte mit Ladungseingang oder sehr hochohmigem Spannungseingang Ein Ladungsverstärker ist ein Differenzverstärker mit kapazitiver Rückkopplung Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

Messverstärker M208 8-Kanal-IEPE-Verstärker M32 IEPE-Verstärker M68-Serie Ladungs- und IEPE-Verstärker M28 IEPE-Versorgung Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

TEDS-Beschleunigungsaufnehmer TEDS = Transducer Electronic Data Sheet (IEEE 1451.4) Neue Zusatzfunktion für IEPE-Aufnehmer Der Aufnehmer besitzt einen 256 Byte-Speicher für: Typ- und Versionsnummer Seriennummer Hersteller Aufnehmerart, physikalische Größe Empfindlichkeit Kalibrierdatum Anwenderspezifische Angaben zum Messpunkt Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

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

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

Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern Schwingungskalibratoren VC20 / 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 Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de

Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern Fehlerbetrachtung 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 % Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. www.MMF.de