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Metra Mess- und Frequenztechnik

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									        Piezoelektrische
    Beschleunigungsaufnehmer
                  Theorie und Anwendung




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Piezoelektrischer Effekt
•   Piezokeramik und Quarz erzeugen eine
    Ladungsverschiebung wenn eine Kraft auf sie einwirkt.



                             F                     q      q = d.F
                                                         F      Kraft
                                                         q      Ladung
                                                         d      Piezokonstante
    Piezoscheibe
                             F




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Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer
•   Ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer
    besteht aus einem piezoelektrischen Material und einer
    seismischen Masse.
•   Die erzeugte Ladung ist proportional zur
    Beschleunigung.


      Seismische                                                q
                                                                    F = m.a
          Masse                   m
                                                                    Ladungs-
    Piezokeramik                                                    empfindlichkeit:
                                                                           q
                                                                    Bqa =
            Beschleunigung a                                               a



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Bauformen von Beschleunigungsaufnehmern
•   Beispiel: Scher-Beschleunigungsaufnehmer mit
    ringförmiger Piezokeramik.
•   Die Trägheitskraft der seismischen Masse erzeugt ein
    elektrisches Signal an den Elektroden des
    Piezomaterials.
Ring-
Scherkeramik:                                                   Kappe
                                                                Seismische Masse
    Scherkraft




                                                                Piezokeramik
                                                                Mittelbolzen


                                                                Buchse
                                                                Boden
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Andere Typen von Schwingungsaufnehmern
Im Vergleich mit Piezo-Beschleunigungsaufnehmern:

Sensortyp                  Vorteile                       Nachteile
Piezoresistiv              • Misststatische               • Beschränkte Auflösung
(auf Basis von               Beschleunigung               • Nur bis zu einigen kHz
Dehnungs-                  • Robust                       • Spannungsquelle
messstreifen)                                               erforderlich
Elektrodynamisch           • Misst
                                 statische                • Nur   für tiefe Frequenzen
                            Beschleunigung
Kapazitiv                  • Misst statische              • Geringe Auflösung
                             Beschleunigung               • Zerbrechlich
                           • Kostengünstige
                             Herstellung mit
                             Halbleiterprozessen


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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.

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Ladungs- und IEPE-Aufnehmer
•   Ladungsaufnehmer liefern direkt das vom Piezomaterial
    erzeugte elektrische Signal.
    Nachteil: Maximale Kabellänge 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®

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IEPE-Beschleunigungsaufnehmer
Aussteuerbarkeit
                                               positive Übersteuerung
           maximale Sensorspannung =
                Versorgungsspannung
               der Konstantstromquelle
                          (24 bis 30 V)




                                                                        Aussteuerbereich
                Arbeitspunktspannnung
                           (8 bis 12 V)




                   Sättigungsspannung
                             (ca. 0,5 V)
                                     0V
                                           negative Übersteuerung
Durch Messung der Arbeitspunktspannung und der Aussteuergrenzen
lässt sich eine einfache Sensorkontrolle realisieren.
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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




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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.
  rel.                                             fr
Ampl.

                30 % Fehler
    1,30



    1,10        10 % Fehler

    1,00

              +/- 3 dB Frequenzbereich
     0,7



         fl                                 0,5fr f r           f
                                         0,3f r
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Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers
1. Kriterium: Zu messende Beschleunigungsamplitude              Beispiele:


•   Sehr niedrig:
    Seismische Beschleunigungsaufnehmer
    (...µm/s² bis 1 m/s²)
                                                                   KB12
•   Mittel:
    Standard-Beschleunigungsaufnehmer
    (1 bis 10 000 m/s²)
                                                                   KS76
•   Sehr hoch:
    Stoß-Beschleunigungsaufnehmer
    (> 10 000 m/s²)
                                                                   KS93

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Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers
2. Kriterium: Aufnehmermasse
Die Masse des Aufnehmers sollte 10 % der
Messobjektmasse nicht überschreiten, damit das
Schwingungsverhalten nicht verfälscht wird.
                                                                Beispiel:



•   Leichte Aufnehmer:                                          KS91
    Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer
    (Masse < 5 g)                                                      KS94




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Auswahl eines Beschleunigungsaufnehmers
                                                                Beispiele:
3. Kriterium: Umgebungsbedingungen
                                                                             KS74
•   Feuchtigkeit und Staub:
    Industrie-Beschleunigungsaufnehmer
    (mit Schutzgrad IP67 oder höher)

                                                                             KS80
•   Elekromagnetische Felder und Erdschleifen:
    Industrie-Beschleunigungsaufnehmer
    (mit isoliertem Gehäuse)
                                                                             KS81




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Befestigung von Beschleunigungsaufnehmern




                  Gewinde-      Direkt-      Klebe-      Isolier-    Haft-    Tast-
                   stutzen     Klebung      flansch      flansch    magnet    spitze

Übertragung: gut                                                                   schlecht
Max. Frequenz:     > 20 kHz                                         < 5 kHz   < 1 kHz

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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.



                                                                           F
              uneben                 rau                        flexibel

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Messtechnik für Ladungsaufnehmer
•   Ladungsaufnehmer erfordern Messgeräte mit
    Ladungseingang oder sehr hochohmigem
    Spannungseingang.
•   Ein Ladungsverstärker ist ein Differenzverstärker mit
    kapazitiver Rückkopplung.      Rf


                                         qf
                        q in                           Cf
                                                   -

                         Aufnehmer
                                                   +            vout

                                              GND

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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.
                                                        Konstant-
             IEPE-Aufnehmer                            stromquelle
                    Integrierter
                  Ladungswandler                                  I const
       Piezo-                              Koaxialkabel,
       system
                   Q                U    einige 100 m lang                  Messgerät

                                                                     Cc
                                                                Entkopplung


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Messverstärker



                                                      M208
                                                      8-Kanal-IEPE-Verstärker

                                                                M32
                                                                IEPE-Verstärker


                                                               M28
M68-Serie                                           IEPE-Versorgung
Ladungs- und IEPE-Verstärker

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TEDS-Beschleunigungsaufnehmer
TEDS = Transducer Electronic Data Sheet (IEEE 1451.4)
Neue Zusatzfunktion für IEPE-Aufnehmer.
Der Aufnehmer besitzt einen Speicher für:
       Typ- und Versionsnummer
       Seriennummer
       Hersteller
       Aufnehmerart, physikalische Größe
       Empfindlichkeit
       Kalibrierdatum
       Anwenderspezifische Angaben zum Messpunkt


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Vorteile von TEDS-Aufnehmern
•   Einfache Aufnehmeridentifikation, besonders bei hohen
    Kanalzahlen. Keine Kabelverfolgung und -kennzeichnung.
•   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.




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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.



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Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern
Schwingungskalibratoren
      VC10-Serie                                             VC110




                                                   • Frequenzbereich: 70 - 10000 Hz
 • Frequenz: 159,2 Hz                              • Schwingpegel: 1 m/s²
 • Schwingpegel: 10 m/s²                           • Max. Aufnehmermasse : 400 gr.
 • Max. Aufnehmermasse: 500 gr.                    • Anzeige der Empfindlichkeit
 • Batteriebetrieb                                 • PC-Steuerung
                                                   • Frequenzgangmessung
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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        23

								
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