Manfred Weber
Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.
Seit 1954

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Einführung

Wozu Schwingungssensoren?

In vielen Bereichen unseres Lebens laufen Bewegungen ab:
Das Auto rollt, ein Kompressor arbeitet, eine Werkzeugmaschine schleift, ein Bagger hebt eine Grube aus, Flugzeugtriebwerke drehen sich, Förderbänder und Greifer transportieren Pakete, ich wohne an einer verkehrsreichen Straße.
Alle Bewegungen erzeugen gewollt, als Begleiterscheinung ungewollt oder auch durch Abnutzung Schwingungen und Stöße. Häufig stören sie, wenn sie nur groß genug sind:
Das Auto rumpelt, der Kompressor vibriert, die bearbeiteten Teile werden ungenau und rau, der Baggerfahrer wird durchgerüttelt, ein Triebwerk fällt aus oder sogar ab, Pakete und ihr Inhalt werden beschädigt, beim Vorbeifahren eines Brummis klirren die Gläser im Schrank.
Allen Störungen ist gemeinsam, dass die Ursache Schwingungen und Stöße sind. Werden diese ständig oder im Turnus gemessen, werden falsche Funktion, Abnutzung und Schäden erkannt und können behoben werden.

Was wird gemessen?

Die verbreitetste Messgröße für mechanische Schwingungen ist die Schwingbeschleunigung. Sie hat die SI-Einheit m/s². Häufig wird auch die Gravitationsbeschleunigung (g) verwendet. 1 g entspricht etwa 9,81 m/s².
Für einige Anwendungen, z.B. in der Maschinenüberwachung, eignen sich die Schwinggeschwindigkeit (mm/s) oder der Schwingweg (µm, mm). Die Schwinggeschwindigkeit lässt sich durch einfache Integration aus der Schwingbeschleunigung bilden, der Schwingweg durch Doppelintegration. Integratoren können in analoger Schaltungstechnik oder als Softwareroutine realisiert werden.
Während wir aus unserem Alltag eine Vorstellung über die Größenordnungen von Geschwindigkeit und Weg haben, fällt es uns oft schwer, Beschleunigungen abzuschätzen:
  • In geologischen Untersuchungen werden Beschleunigungen unter 0,001 m/s² gemessen.
  • Ein ICE 3 beschleunigt im Mittel mit 0,5 m/s², um 200 km/h zu erreichen.
  • Ein Sprintsportler erreicht bis zu 4 m/s² Anfangsbeschleunigung.
  • Bei Vollbremsung eines Autos werden im Mittel 10 m/s² erreicht.
  • Eine Saturn V-Rakete erreichte bei Brennschluss der ersten Stufe 40 m/s².
  • Die bei einem Autounfall auftretenden Beschleunigungen von etwa 100 m/s² führen zu Knochenbrüchen, ein Sicherheitsgurt verursacht bei 300 m/s² Rippenbrüche. 1000 m/s² sind für die meisten Menschen tödlich.
  • Ein springender Floh kann 3200 m/s² erreichen.
  • Ein Laptop kann einen Fall aus 1 m Höhe auf einen Betonboden überleben, wobei Beschleunigungen von 20000 m/s² auftreten können.
  • Die Nadel einer Nähmaschine kann bis zu 60000 m/s² beschleunigt werden.
  • Beschleunigungen über 100000 m/s² werden in der Ballistik und bei Explosionstests gemessen.

Was sind das für Sensoren?

Die Beschleunigungsaufnehmer, die Metra seit über 50 Jahren entwickelt und produziert, basieren auf dem piezoelektrischen Wirkprinzip. "Piezo" kommt aus dem Griechischen und steht für drücken oder pressen. Wird ein piezoelektrisches Material Druck mechanischen Spannungen ausgesetzt, produziert es elektrische Ladung. Wird es mit einer seismischen Masse kombiniert, liefert es ein zur eingeleiteten Schwingbeschleunigung proportionales Ladungssignal.
Das aktive Element von Metra-Beschleunigungsaufnehmern besteht aus einer sorgfältig ausgewählten Piezokeramik mit hervorragenden Eigenschaften. Es handelt sich um Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), das für stabile Übertragungseigenschaften gegenüber Umgebungseinflüssen und hohe Langzeitkonstanz optimiert wurde. Hohe Langzeitkonstanz, die die Größenordnung von Quarzsensoren erreicht, wird durch künstliche thermische Alterung während der Produktion erreicht. Ein gravierender Vorteil von Piezokeramik gegenüber Quarz ist die um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit. Das ist insbesondere bei niedrigen Frequenzen und geringen Schwingamplituden vorteilhaft.
Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind heute allgemein als die beste Sensorik für Schwingungen anerkannt. Verglichen zu den anderen Sensorprinzipien bieten sie eine Reihe entscheidender Vorteile:
  • Außerordentlich großer Dynamikumfang. Geringstes Rauschen macht piezoelektrische Sensoren gleichermaßen geeignet für die Messung kaum wahrnehmbarer Schwingungen und starker Stöße.
  • Hervorragende Linearität über den gesamten Dynamikbereich.
  • Weiter Frequenzbereich, auch höchste Frequenzen messbar.
  • Hohe Empfindlichkeit bei geringen Abmessungen.
  • Keine beweglichen inneren Teile, die beim Gebrauch verschleißen können.
  • Selbstgenerierendes Prinzip - keine Hilfsenergie erforderlich.
  • Sie sind in vielen Varianten herstellbar, damit gut anzupassen.
  • Das Beschleunigungssignal kann einfach oder doppelt integriert werden um Schwinggeschwindigkeit oder Schwingweg zu erhalten.
Die folgende Tabelle stellt die am meisten verbreiteten Sensortypen für Schwingungen den piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern gegenüber:

Sensortyp
Vorteil
Nachteil
Piezoresistiv
  • misst auch statische Beschleunigung
  • eingeschränkte Auflösung durch Widerstandsrauschen
  • nur für tiefe und mittlere Frequenzen
  • Versorgungsspannung erforderlich
Elektrodynamisch

  • nur für tiefe Frequenzen
  • große Bauform
Kapazitiv
(mikromechanisch)
  • misst auch statische Beschleunigung (geeignet als Neigungsmesser)
  • preiswerte Herstellung mit Halbleitertechnologie
  • geringere Auflösung
  • zerbrechlicher
  • nur für tiefe Frequenzen

Welche Signalverarbeitung wird verwendet?

Der Wandlungsvorgang benötigt keine Hilfsenergie. Die an das nachfolgende Messgerät oder an den integrierten IEPE-Verstärker als Signal abgegebene Energie bezieht der Aufnehmer aus der Beschleunigung beim Messvorgang. Grundsätzlich wird Wechselbeschleunigung gemessen, häufig auch Vibration genannt. Gleichbleibende Beschleunigung, z.B. die Erdbeschleunigung, ist nicht messbar.
Das Signal des Sensors muss verstärkt und ggf. gefiltert oder integriert werden. IEPE-Aufnehmer benötigen zusätzlich eine Konstantstromversorgung. Hierfür eignen sich z.B. die Messverstärker M28, M32, M72 und M208 . Für Sensoren ohne Elektronik werden Ladungsverstärker benötigt, z.B. die Typen M72 oder IEPE100.
Nach der Vorverstärkung werden verschiedene Auswerteverfahren für das Schwingsignal angewandt:
  • Bildung von Momentanwert, Spitzenwert und Effektivwert der Schwingbeschleunigung
  • Einfache oder zweifache Integration zur Bestimmung von Schwinggeschwindigkeit oder Schwingweg
  • Anwendung von Filterung und Frequenzbewertung, FFT und Kreuzkorrelation
Um die Leistungsfähigkeit moderner Messwertverarbeitungssysteme auszuschöpfen, ist es jedoch unumgänglich, das schwächste Glied der Messkette, den Sensor, genau zu kennen. Dazu sollen Ihnen die folgenden Seiten verhelfen.

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