Piezoelektrische Beschleunigungsmesser verstehen
A piezoelektrischer Beschleunigungsmesser ist ein Vibration Sensor, der den piezoelektrischen Effekt nutzt — die Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei mechanischer Beanspruchung eine elektrische Ladung zu erzeugen — um mechanische Beschleunigung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das proportional zur Schwingungsamplitude ist. Wenn der Sensor beschleunigt, komprimiert oder schert eine interne seismische Masse ein piezoelektrisches Element, und die entstehende Ladung oder Spannung wird aufbereitet und als Messsignal ausgegeben. Dank eines breiten Frequenzbereichs (ca. 0,5 Hz bis über 50 kHz), hoher Empfindlichkeit, Robustheit und eines selbsterzeugenden Messelements, das keine externe Stromversorgung benötigt, ist der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer der am weitesten verbreitete Schwingungssensor in der Industrie und das Fundament moderner Schwingungsanalyse und Zustandsüberwachung.
1. Der Piezoelektrische Effekt
Physikalisches Messprinzip
- Bestimmte Kristalle (Quarz, Turmalin) und Keramiken (PZT, Bariumtitanat) sind piezoelektrisch.
- Mechanische Spannung erzeugt eine elektrische Ladung auf den Oberflächen des Kristalls’.
- Die Ladung ist proportional zur aufgebrachten Kraft.
- Der Effekt ist umkehrbar — das Anlegen einer Spannung bewirkt eine Verformung des Elements.
- Er ist selbsterzeugend, daher wird keine Stromversorgung benötigt, um die Ladung selbst zu erzeugen.
Im Inneren des Beschleunigungsaufnehmers
Die Kette von der Bewegung zum Signal ist kurz und direkt:
- Vibration beschleunigt den Sensorsockel und das Gehäuse.
- Die interne seismische Masse erfährt eine Kraft, F = m × a.
- Diese Kraft beansprucht den piezoelektrischen Kristall.
- Der Kristall erzeugt eine Ladung proportional zur Kraft und damit zur Beschleunigung.
- Die Ladung wird an Elektroden abgegriffen und in ein messbares Signal umgewandelt.
Da das Ausgangssignal die Beschleunigung abbildet, kann dasselbe Signal elektronisch integriert werden zu Geschwindigkeit für die Fehleranalyse im mittleren Frequenzbereich, oder es wird direkt für Hochfrequenzanwendungen genutzt.
2. Typen nach internem Aufbau
Die Art, wie der Kristall durch die seismische Masse belastet wird, bestimmt den Charakter des Sensors.
- Drucktyp: die gebräuchlichste Bauform, bei der der Kristall zwischen Masse und Sockel auf Druck belastet wird. Robust, mit einem weiten Temperaturbereich, ist sie für raue Umgebungen geeignet — jedoch empfindlicher gegenüber Sockeldehnung und thermischen Transienten.
- Shear type: der Kristall wird durch die Bewegung der Masse auf Scherung beansprucht. Diese Geometrie bietet eine ausgezeichnete Isolierung gegen Sockeldehnung, eine bessere Niederfrequenz-Charakteristik und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber thermischen Transienten — weshalb der Scherbeschleunigungsmesser die Premium-Wahl für anspruchsvolle Messungen ist.
- Biegetyp (Flexural): der Kristall arbeitet auf Biegung und ermöglicht eine sehr hohe Empfindlichkeit, ist jedoch weniger robust und im industriellen Einsatz weniger verbreitet.
3. Typen nach Elektronik
Die zweite Klassifizierung betrifft die Frage, ob die signalaufbereitende Elektronik im Sensor selbst oder außerhalb untergebracht ist.
- Ladungsmodus: das Ausgangssignal ist eine Rohladung in Picocoulomb und erfordert einen externen Ladungsverstärker. Der hochohmige Ausgang ist empfindlich gegenüber Kabelbewegungen und triboelektrisches Rauschen, aber ohne interne Elektronik tolerieren diese Sensoren extreme Temperaturen (bis ca. 650 °C), was sie für spezialisierte Hochtemperaturanwendungen unverzichtbar macht.
- IEPE / ICP (Spannungsmodus): Die integrierte Elektronik wandelt die Ladung in eine niederohmige Spannung um. Das IEPE Schnittstelle — auch bezeichnet als Spannungsmodus-Beschleunigungssensor — ist der Industriestandard, bietet einfache Zweidraht-Verbindung und hervorragende Störsicherheit. Es eignet sich für mehr als 95 % der industriellen Anwendungen.
4. Technische Leistungsdaten
Empfindlichkeit
Empfindlichkeit ist der Ausgangswert pro Beschleunigungseinheit – typischerweise 10–100 mV/g bei IEPE-Sensoren oder 1–100 pC/g im Ladungsmodus. Eine höhere Empfindlichkeit ermöglicht eine feinere Auflösung, verringert jedoch den maximalen Messbereich; der Wert wird daher auf die zu erwartenden Schwingungspegel abgestimmt; die Rechner zur Ermittlung der Empfindlichkeit von Schwingungssensoren hilft dabei, eine Ausgangsspannung in die entsprechende Beschleunigung umzurechnen.
Frequenzbereich
- Niedrige Frequenz: eine untere Grenzfrequenz von etwa 0,5–5 Hz, bestimmt durch die Elektronik.
- Hohe Frequenz: eine obere Grenzfrequenz von 5–50 kHz, begrenzt durch die montierte Resonanz.
- Verwendbare Reichweite: im Allgemeinen bis etwa ein Drittel der Resonanz Frequenz, in dem die Übertragungsfunktion einen flachen Verlauf hat.
- Befestigungseinfluss: Die Befestigungsart begrenzt die erreichbare Hochfrequenz-Übertragung erheblich.
Amplitudenbereich und Dynamikbereich
- Allgemein: ±50 g bis ±500 g.
- Hohe Empfindlichkeit: ±5 g bis ±50 g.
- Stoßsensoren: ±500 g bis ±10.000 g.
Das Signal darf den Messbereich des Sensors’ niemals überschreiten, da es sonst abgeschnitten wird und das Sensorelement beschädigt werden kann; ein großer Dynamikbereich ermöglicht es einem Sensor, sowohl schwache Wälzlagertöne als auch starke Schwingungen bei der Betriebsdrehzahl in einer einzigen Messung aufzulösen.
5. Auswahlkriterien
Die Abstimmung des Sensors auf die Messaufgabe ist das Herzstück eines guten Messaufbaus.
- Überwachung allgemeiner Maschinen: ein IEPE-Beschleunigungsaufnehmer mit 100 mV/g, einem Messbereich von ±50 g, einem Frequenzgang von 1 Hz–10 kHz, einer Industrietemperaturklasse (−40 bis +120 °C) und hermetischer Kapselung.
- Erkennung von Wälzlagerfehlern: eine höhere Frequenzantwort (bis 20+ kHz), um Lagerfehlerfrequenzen, mittlere Empfindlichkeit (10–50 mV/g), großer Dynamikbereich und Gewindestiftbefestigung für die beste Hochfrequenzkopplung — die richtige Kombination, um beginnende Lagerdefekte.
- Hochtemperaturanwendungen: Hochtemperatur-IEPE (bis ca. 175 °C) oder Ladungsmodus (bis ca. 650 °C), mit spezieller Befestigung und Verkabelung, wobei gewisse Leistungseinbußen für die Temperaturfähigkeit akzeptiert werden.
6. Befestigung und Installation
Die Befestigungsschnittstelle ist Teil des Messsystems: Sie bestimmt die montierte Resonanz und damit die Hochfrequenzgrenze. Von gut bis schlecht:
- Bolzenhalterung: die beste Kopplung, flach bis 10+ kHz.
- Klebstoff: gut, flach bis etwa 7–8 kHz.
- Magnetisch: akzeptabel, flach bis etwa 2–3 kHz.
- Tastsonde / Handmessung: schlecht — auf niedrige Frequenzen und qualitative Messwerte beschränkt.
Für zuverlässige Hochfrequenzdaten muss die Oberfläche sauber und eben sein, der Gewindestift korrekt angezogen sein, jede Klebeschicht dünn und gleichmäßig sein, der Magnetfuß vollständig aufliegen und das Kabel gesichert sein, um Zug zu verhindern. Das Befestigungsresonanz-Rechner gibt an, wo das nutzbare Band jeder Methode endet; bei fest installierten Sensoren gelten die Grundsätze der korrekten Sensormontage sind festgelegt in ISO 5348.
Im Feldeinsatz sind diese Sensoren die Eingangsseite jedes portablen Analysators. Ein Zweikanal-Gerät wie das Balanset-1A verwendet IEPE-Beschleunigungsaufnehmer, um die synchronisierte Amplitude und Phase zu erfassen, die für das Ein- und Zweiebenen- Bilanzierung sowie für die routinemäßige Diagnose in den eigenen Lagern der Maschine bei Betriebsdrehzahl benötigt werden. Zusammen mit der Wirbelstromsonde und dem Geschwindigkeitsaufnehmer, ist der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer einer der drei wichtigsten Schwingungssensoren transducers — und mit Abstand der vielseitigste, weshalb er weltweit das Rückgrat der industriellen Schwingungsüberwachung, Diagnose und Auswuchtung bleibt.
