Der richtige Beschleunigungs-Sensor für jede Anwendung

Bei der Entwicklung und beim Test von Produkten in rauen, komplexen Umgebungen können Beschleunigungssensoren wertvolle Daten liefern. Die Wahl eines ungeeigneten Exemplars kann dabei jedoch mit schwerwiegenden, negativen Auswirkungen auf die Messergebnisse verbunden sein – nicht zuletzt ein Problem für Ingenieure, die sich mit Stoß- und Schocktests befassen und bei denen hohe Temperaturen und extreme Vibrationen und Erschütterungen zusätzliche Herausforderungen bei der Ermittlung präziser Ergebnisse darstellen.

Da jede Beschleunigungssensor-Technologie mit Kompromissen verbunden ist, erfordert die Auswahl des richtigen Beschleunigungssensors ein Verständnis der betreffenden Optionen und technischen Möglichkeiten sowie eine Analyse der Umstände und Parameter, unter denen er eingesetzt wird.

Um Ihnen Ihre Wahl zu erleichtern, bieten wir in diesem Artikel einen grundlegenden Überblick über die Punkte, die bei der Erfüllung aller Mess-Anforderungen berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus finden Sie eine Liste kritischer Fragen für eine hypothetische Situation mit Messungen über 50 g, um auf Probleme hinzuweisen, die bei Entscheidungsprozessen eine wichtige Rolle spielen.

Punkt 1: Beschleunigungssensor-Klassen
Es gibt zwei Klassen von Beschleunigungssensoren: AC-Response und DC-Response. Beim ersteren ist der Ausgang AC-gekoppelt. Er ist nur für dynamische Ereignisse geeignet und kann nicht zur Messung statischer Beschleunigung wie Schwerkraft und konstanter Zentrifugalbeschleunigung verwendet werden.
Ein DC-Response-Sensor ist dagegen DC-gekoppelt und kann auf Änderungen bis zu 0 Hz reagieren. Dadurch können sowohl die statische als auch die dynamische Beschleunigung gemessen werden. Die Messung der statischen Beschleunigung ist jedoch nicht der einzige Grund für die Wahl eines DC-Beschleunigungsmessers.

Bei realen Anwendungen werden bei der Mehrzahl der Schwingungsanalysen Informationen über Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verschiebung benötigt. Dies sind wichtige Variablen, die von Ingenieuren beim Entwurf oder bei der Validierung einer Struktur benötigt werden. Im Allgemeinen bietet der g-Wert eine gute Referenz, aber Geschwindigkeit und Verschiebung sind die bei Konstruktionsberechnungen am häufigsten benötigten Variablen. Um Geschwindigkeit und Verschiebung vom Beschleunigungswert abzuleiten, wird das vom Beschleunigungsmesser ausgegebene Signal im analogen oder digitalen Bereich integriert bzw. doppelt integriert. Hier kann ein AC-Response-Beschleunigungssensor zu Problemen führen, da er eine innere Begrenzung besitzt, die ihm durch seine RC-Zeitkonstante auferlegt wird. Daher treten hier im gegensatz zur DC-Version Probleme auf (Bild 1).
  Punkt 2: Beschleunigungssensor-Technologien
AC-Beschleunigungssensoren arbeiten üblicherweise auf der Basis piezoelektrischer Elemente. Bei Beschleunigung bewirkt die seismische Masse des Sensors eine Ladungsverschiebung im piezoelektrischen Element, wodurch eine zur Beschleunigung proportionale Spannung an den Anschlüssen zur Verfügung steht. Piezoelektrische Elemente verhalten sich elektrisch wie ein als Spannungsquelle geschalteter Kondensator mit einem festen Innenwiderstand, typischerweise in der Größenordnung von 10⁹ Ω. Durch die damit vorgegebene RC-Zeitkonstante wird eine Hochpass-Charakteristik ausgebildet, die dazu führt, dass piezoelektrische Beschleunigungsmesser nicht zum Messen statischer Ereignisse verwendet werden können. Da piezoelektrische Elemente aus natürlichem und künstlichem Material hergestellt werden, zeichnen sie sich  außerdem durch unterschiedliche Transduktionseffizienz- und Linearitätsmerkmale aus.

Auf dem Markt sind zwei Arten von piezoelektrischen Beschleunigungssensoren erhältlich: Ladungsausgangstyp und Spannungsausgangstyp. Sie besitzen sehr kleine Abmessungen und eignen sich für dynamische Messungen in Leichtbaustrukturen.

Piezoelektrische Sensoren mit dem Zusatz Charge Mode basieren auf Bleizirkonat-Titanatkeramiken (PZT), die einen sehr großen Temperaturbereich, einen breiten dynamischen Bereich und eine große Bandbreite (verwendbar bis über 10 kHz) bieten. Wenn sie in einem hermetischen, geschweißten Metallgehäuse untergebracht sind, kann von einer langen Lebensdauer ausgegangen werden, da dieser Sensor in der Lage ist, widrigsten Umgebungsbedingungen zu widerstehen. Aufgrund des weiten Betriebstemperaturbereichs piezoelektrischer Keramiken können einige Charge-Mode-Exemplare von -200 °C bis +640 °C und darüber hinaus verwendet werden. Sie eignen sich besonders für den Einsatz im Bereich Schwingungsmessungen bei Temperaturextremen wie zum Beispiel bei der Überwachung von Turbinentriebwerken.

Eine alternative Variante des piezoelektrischem Beschleunigungsmesser liefert eine Ausgangsspannung, die durch den zusätzlichern Einbau eines Ladungsverstärkers in seinem Gehäuse erreicht wird. Im Gegensatz zum Charge-Mode-Verfahren, bei dem nur ein oder mehrere keramische Sensorelemente verwendet werden, wird beim Spannungsmodus-Verfahren eine mikroelektronische Schaltung genutzt, die die Betriebstemperatur der Vorrichtung auf die maximale Betriebstemperatur der Elektronik begrenzt, die üblicherweise bei +125 °C liegt. Einige Varianten überschreiten die Grenze auf +175 °C, was jedoch mit Kompromissen bei anderen Leistungen verbunden ist (Bild 2).
  Die Wahl des richtigen Beschleunigungsmessers erfordert auch eine Beurteilung der Bedingungen, unter denen er eingesetzt werden muss – insbesondere, wenn diese Bedingungen rau und komplex sind. Im Folgenden fünf grundlegende Fragen für die Planung einer Messung über 50 g:
 
 
1. Wie groß ist der zu erwartende dynamische Bereich, der gemessen oder getestet werden soll? Bei Verwendung eines Beschleunigungsmessers sollte genügend Spielraum vorhanden sein, um sicherzustellen, dass die Testergebnisse verwendbar sind und der Messbereich den Full-Scale-Ausgang des Beschleunigungsmessers nicht überschreitet. Wenn zum Beispiel der g-Wert höher als die obere Grenze des Beschleunigungsmessers ist, kann das Signal abgeschnitten, und die Testergebnisse unbrauchbar werden. Nach Best-Practice-Standards sollten die Ergebnisse 30-40 % des gesamten Geräte-Messbereichs ausmachen und niemals unter 10 % liegen.
 
2. Wie groß ist die Messbandbreite? Diese hängt unter anderem von der Art des Tests und der Aufprallfläche ab. Bei der Messung eines Falls mit einer weichen Landung reicht z. B. oft eine geringe Bandbreite. Wenn es jedoch darum geht, g-Spitzenwerte innerhalb von High-Impact-Tests mit Munition oder bei Autounfällen zu messen, wird eine größere Bandbreite benötigt.
 
3. Wie wird der Sensor während des Tests montiert? Es ist wichtig, wie der Beschleunigungssensor installiert wird und wo er platziert wird. Idealerweise sollten Beschleunigungsmesser starr an der Apparatur befestigt werden. Obwohl es dazu Materialien wie Cyan-Acrylat gibt, sollten die meisten Epoxide und Klebstoffe vermieden werden, da sie als zusätzliche Dämpfung wirken und Energie absorbieren.

4. Unter welchen Bedingungen wird der Test durchgeführt?
Alle Beschleunigungssensoren sind auf eine bestimmte Toleranz des Temperaturbereichs kompensiert, so dass für eine genaue Messung die Testbedingungen bekannt sein müssen. Feuchtigkeit, Schnee, geografische Höhe und Messungen unter Wasser können eine wichtige Rolle bei der Wahl des optimalen Sensors bei gegebenen Bedingungen spielen (Bild 3).

5. Welche Messparameter werden benötigt? Obwohl der Beschleunigungssensor die Beschleunigung in g misst, kann er, bei Verwendung einer DC-Version, auch zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Verschiebung verwendet werden.
  Punkt 3: Sensortechnologien in DC-Beschleunigungssensoren
Es gibt zwei bekannte Sensortechnologien in DC-Beschleunigungssensoren: Kapazitiv und piezoresistiv. Sensoren vom kapazitiven Typ (basierend auf den Kapazitätsänderungen in der seismischen Masse unter Beschleunigung) ist die am häufigsten verwendete Technologie, die durch Anwendungen wie Airbags und mobile Geräte bekannt wurden. Sie basieren auf der Fertigungstechnologie für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die kostengünstig und für Anwendungen mit großen Abmessungen geeignet ist. Sie besitzen jedoch den Nachteil eines schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses und eines begrenzten Dynamik Bereichs, der sie daher vor allem für die Messung von niederfrequenten Bewegungen geeignet macht, wo der g-Pegel ebenfalls niedrig ist.

Die andere, häufig verwendete Sensortechnologie für Gleichstrom-Beschleunigungssensoren wird als „piezoresistiv“ bezeichnet. Ein piezoresistiver Beschleunigungsmesser basiert auf Widerstandsänderungen in Dehnungsmessstreifen, die Teil des seismischen Systems des Sensors sind. Da die meisten piezoresistiven Sensoren im Allgemeinen empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sind, ist es notwendig, eine interne oder externe Temperaturkompensation am Ausgang hinzuzufügen. Moderne piezoresistive Sensoren nutzen dazu spezielle integrierte Schaltkreise für alle Formen der On-Board-Signalkonditionierung sowie für die Temperaturkompensation vor Ort.

Die Bandbreite piezoresistiver Beschleunigungssensoren kann bis zu 7000 Hz betragen. Viele dieser Sensoren sind entweder gasgedämpft (MEMS-Typen) oder fluidgedämpft (fest haftende Dehnungsmessstreifen). Die Dämpfungseigenschaften können ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors sein. In Anwendungen mit hochfrequenten mechanischen Schwingungen (am Eingang vorhanden oder durch Anregung), kann ein gedämpfter Beschleunigungssensor das Überschwingen des Sensors (Resonanz) verhindern und den dynamischen Bereich gewährleisten oder sogar verbessern. Da der piezoresistive Sensorausgang differentiell ist und einen ohmschen Widerstand bildet, ist das Signal-Rausch-Verhältnis im Allgemeinen hervorragend: Sein Dynamikbereich ist nur durch die Qualität des DC-Brückenverstärkers begrenzt.

Wegen ihrer größeren Bandbreiten sind Beschleunigungsmesser vom piezoresistiven Typ am besten für Impuls- bzw. Stoßmessungen geeignet, bei denen der Frequenzbereich und der g-Pegel typischerweise hoch sind (z. B. für sehr hohe g-Stoßmessungen, wobei einige piezoresistive Ausführungen Beschleunigungswerte von weit über 10.000 g vertragen). Da es sich um DC-Geräte handelt, kann die gewünschte Geschwindigkeits- und Verschiebungsinformation ohne Integrationsfehler wesentlich genauer aus den Beschleunigungswerten abgeleitet werden.


Die Wahl des richtigen Beschleunigungssensors anhand seiner Eigenschaften
Eine kurze Zusammenfassung:

• Die piezoelektrische Ausführung mit Charge-Mode ist aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und robusten Materialeigenschaften der langlebigste Beschleunigungssensortyp. Für Anwendungen mit hoher Temperatur (> 150 °C) für dynamische Messungen stellt er eine naheliegende Wahl – und in den meisten Fällen die einzige Wahl dar.
• Piezoelektrische Sensoren im Spannungsmodus sind die beliebtesten Beschleunigungsmesser für dynamische Messungen. Sie haben geringe Abmessungen, eine große Bandbreite und einen integrierten Ladungsumwandler, der eine direkte Schnittstelle zu vielen modernen Signalanalysatoren und Datenerfassungssystemen (mit integrierter IEPE / ICP-Stromquelle) darstellt. Der piezoelektrische Spannungsmodus ist typischerweise auf Anwendungen beschränkt, die unter 125 °C arbeiten.
• Kapazitive Ausführungen, von kritisch gedämpft bis überdämpft, eignen sich für niederfrequente Messungen. Die kostengünstige SMD-Geräteklasse bietet sich bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen an, bei denen höchste Genauigkeit keine Priorität hat. Umgekehrt weisen die teureren kapazitiven Silizium-MEMS-Beschleunigungsmesser mit Instrumentierungsqualität eine gute Vorspannungsstabilität und ein sehr geringes Rauschen auf. Kapazitive Beschleunigungssensoren haben eine niedrige Impedanz und einen Ausgangsbereich von ±2 V bis ±5 V, wobei die meisten Designs eine geregelte Gleichspannung für die Stromversorgung benötigen.
• Piezoresistive Beschleunigungssensoren sind vielseitig in Bezug auf ihre Frequenz- und Dynamikbereiche. Als ein DC-Response-Gerät kann es statische Beschleunigung verarbeiten und genaue Geschwindigkeits- und Verschiebungsdaten erzeugen. Seine große Bandbreite deckt auch die meisten dynamischen Messanforderungen ab. Piezoresistive Ausführungen bieten verschiedene Grade der Dämpfungsreaktion, die sie für die Verwendung in einer Vielzahl von Testbedingungen, einschließlich Schockprüfungen, geeignet erscheinen lässt. Einfache piezoresistive Beschleunigungssensoren (ohne Elektronik) sind klein und leicht und haben eine Ausgangsspannung von ±100 bis ±200 mV. Die verstärkten Modelle (mit eingebautem Chip) verfügen über eine niedrige Ausgangsimpedanz (<100 Ω) und eine Ausgangsspannung von ±2 V bis ±5 V (full scale).


Realisierbare Lösung für eine hypothetische Messung über 50 g
Piezoresistive DC-Beschleunigungssensoren sind am besten für Impuls- bzw. Stoßmessungen geeignet, bei denen der Frequenzbereich und der Pegel typischerweise hoch sind, damit die gewünschte Geschwindigkeits- und Verschiebungsinformation ohne Integrationsfehler möglichst genau aus dem Beschleunigungswert abgeleitet werden kann. Daher werden piezoresistive Sensoren meistens in Fahrzeugsicherheitstests (Bild 4), bei Waffentests und bei höheren Stoßbereichsmessungen jenseits des nutzbaren VC-Bereichs verwendet.
  Der Beschleunigungssensor von TE Connectivity (TE) Modell 3038 [1] – ein piezoresistiver MEMS-Sensor - ist eine leistungsfähige Lösung zur Messung von Werten über 50 g, wurde für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen und Umgebungen entwickelt und zeichnet sich durch eine hervorragende Haltbarkeit, einen hohen Überlagerungsschutz und eine Langzeitstabilität aus (Bild 5).
Er liefert zuverlässige Leistungen in größeren Höhen und in stark beanspruchenden Temperaturbereichen von -55 °C bis 125 °C und ist in seiner hermetisch abgedichteten SMD-Ausführung einfach zu installieren. Er enthält mechanische Übersteuerungsanschläge, die es ihm ermöglichen, Stoßbelastungen bis zu 10.000 g zu verkraften, während gleichzeitig auch Präzisionsmessungen von ±1,0 % möglich sind. Außerdem enthält der Sensor ein gasgedämpftes piezoresistives MEMS-Sensorelement, das eine hervorragende Langzeitstabilität bietet. Weblink
[1] TE Connectivity, Model 3038 Accelerometer, http://www.te.com/usa-en/product-CAT-EAC0003.html?q=3038&source=header.
 

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Der Autor

Bjorn Ryden (Senior Produktmanager, Vibration und Leistungssensoren) verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Sensorindustrie und war über acht Jahre bei AMETEK Aerospace als Senior Design Engineer für die Entwicklung spezieller Sensoren verantwortlich. Vor seiner Zeit bei TE Connectivity war er als Senior Applications Engineer und Produktmanager bei Meggitt Sensors tätig. Bei TE Connectivity arbeitete er in den letzten 12 Jahren in verschiedenen Positionen mit zunehmender Verantwortung innerhalb des Produktmanagement-Teams. Bjorn Ryden besitzt Titel eines BS in Maschinenbau des Worcester Polytechnic Institute in Massachusetts, USA.

 

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TE Connectivity Ltd. ist weltweit führend in der Sensor-Technologie und -Fertigung mit einem Umsatz von 13 Milliarden US-Dollar, ein Wert, der eine sicherere, nachhaltigere, produktivere und vernetztere Zukunft gewährleistet. Seit mehr als 75 Jahren haben unsere Vernetzungs- und Sensorlösungen, die sich in den rauesten Umgebungen bewährt haben, Fortschritte in den Bereichen Transport, Industrie, Medizintechnik, Energie, Datenkommunikation und Haushalt ermöglicht. Mit 78.000 Mitarbeitern, darunter mehr als 7.000 Ingenieure, die gemeinsam mit Kunden in fast 150 Ländern arbeiten, sorgt TE dafür, dass JEDE VERBINDUNG ZÄHLT. Erfahren Sie mehr unter http://www.te.com und auf LinkedIn, Facebook, WeChat und Twitter.

Dieses Advertorial erschien in der Elektor Business Edition 3/2018.