piezoelektrischer Beschleunigungssensor - GfM Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH

GfM Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH

Kompendium - Piezoelektrischer Beschleunigungssensor

Die Arbeitsweise des piezoelektrischen Beschleunigungssensors basiert auf dem 1880 von J. und P. Curie entdeckten Effekt, dass sich Quarzkristalle unter mechanischer Belastung (Druck, Zug, Torsion) senkrecht zu den polaren Achsen aufladen.

Eine seismische Masse ist nur durch den Piezokristall mit dem Sensorgehäuse mechanisch verbunden.

Je nach Anordnung unterscheidet man in Dickenschwinger, Biegeschwinger und Scherschwinger. Für die Erfassung von Schwingungen in vorzugsweise einer Messrichtung hat sich der Scherschwinger zum Favoriten entwickelt.

Wird der gesamte Sensor in Bewegung versetzt, wirken aufgrund der Trägheit der seismischen Masse Scherkräfte auf den Piezokristall. Der Kristall erzeugt daraufhin eine Ladung, die der Scherkraft proportional ist.

Der nutzbare Übertragungsbereich dieser Sensor ist durch eine untere und eine obere Bandgrenze eingeschränkt. Die untere Grenze liegt bei einigen Zehntel Hertz. Die obere Grenze liegt über der Resonanzfrequenz des Sensors. Die Resonanzfrequenz liegt je nach Bauart meist zwischen 5 und 100 kHz. Als nahezu linearer Messbereich steht das erste Drittel des Übertragungsbereichs bis zur Resonanzfrequenz zur Verfügung, wobei die Resonanzfrequenz des Messaufbaus sehr von der Befestigung des Sensors abhängt und auf jeden Fall unter der angegebenen Resonanzfrequenz des Sensors liegt. Untersuchungen im Hörschallbereich können mit Beschleunigungssensoren problemlos realisiert werden.

Die im Sensor erzeugte Ladung wird mit Hilfe eines Sensorkabels in Zweileitertechnik einem Ladungsverstärker zugeführt. Wegen der geringen Ladung im Bereich von einigen pC dürfen die Kabel eine bestimmte Länge, meist 4 m, nicht überschreiten.

Bei moderneren Sensoren ist der Ladungsverstärker im Sensorgehäuse integriert. Hier kann dann die Kabellänge über 100 m betragen. Allerdings muss der Ladungsverstärker mit Elektroenergie versorgt werden. Dies realisiert man ebenfalls in Zweileitertechnik dadurch, dass von Seiten des Messgeräts ein konstanter Gleichstrom eingespeist wird. Das Messsignal wird dem Gleichstrom überlagert und im Messgerät mittels Hochpassfilter wieder separiert. Da der in piezoelektrischen Beschleunigungssensor integrierte Verstärker sowieso keine Gleichanteile erfassen kann, stellt diese Verfahrensweise keine Einschränkung der Funktionalität dar. Der Eingang des Messgeräts muss natürlich so beschaffen sein, dass die Stromversorgung und eine Einrichtung zum Herausfiltern des Messsignals vorgesehen sind.

Für Ultraschallmessungen nutzt man zum Teil bewußt den Bereich oberhalb der Resonanzfrequenz. Einige Messgeräte oder Messverfahren nutzen ausschließlich den Resonanzbereich.