Piezoelektrisches Prinzip
Im
Aufnehmergehäuse ist ein piezoelektrisches Material befestigt. Bild 1
erläutert das Wirkprinzip anhand einer Kompressionsscheibe. Diese
ähnelt einem Keramikkondensator mit zwei sich gegenüberliegenden
Elektroden. Eine senkrecht zur Elektrodenfläche einwirkende Kraft
bewirkt eine Ladungsverschiebung in der Keramik und kann als Spannung
an den Elektroden abgenommen werden.
Bild 1: Piezoelektrischer Effekt,
Grundberechnungen
Ein piezoelektrischer
Beschleunigungssensor besteht aus zwei Grundbestandteilen:
- Piezoelektrisches Material
- Seismische Masse
Die eine Seite der Piezoscheibe ist
mit der sogenannten seismischen Masse verbunden, die andere mit einem
starren Träger. Wenn diese Kombination in mechanische Schwingung
versetzt wird, wirkt über die seismische (träge) Masse eine Kraft auf
die Piezoscheibe. Nach dem Newtonschen Gesetz ist die entstehende Kraft
das Produkt aus Beschleunigung und Masse. Durch den piezoelektrischen
Effekt entsteht an den Elektroden eine Ladung, die proportional zur
Kraft und damit auch zur Beschleunigung ist (vgl. Bild 2).
Bild 2: Wirkprinzip eines
piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers
Das Piezoelement ist mit der
Sensorbuchse über ein Drähtchen verbunden. Viele
Beschleunigungsaufnehmer sind auch mit einem integrierten
Impedanzwandler nach IEPE-Standard
bestückt, womit die sehr hohe Impedanz der Piezokeramik in eine
niedrigere umgesetzt wird.
Über einen breiten Frequenzbereich folgen der Sensorboden und
die
seismische Masse der gleichen Bewegung, wodurch der Sensor korrekt die
Beschleunigung misst. Ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer
kann als mechanischer Tiefpass mit Resonanzspitze betrachtet werden.
Die seismische Masse bildet mit der Piezokeramik und anderen
"nachgiebigen" Teilen ein Feder-Masse-System. Dieses weist ein
typisches Tiefpassverhalten mit linearem Frequenzbereich und
Resonanzüberhöhung auf . Dadurch wird die obere Grenzfrequenz bestimmt.
Um eine höhere Grenzfrequenz zu erhalten, muss die Resonanz nach oben
verschoben werden, was durch Verringerung der seismischen Masse
geschieht. Je geringer die seismische Masse jedoch wird, desto geringer
ist auch die Empfindlichkeit des Sensors. Das hat zur Folge, dass
Beschleunigungsaufnehmer mit hoher Grenzfrequenz nur geringe
Empfindlichkeiten besitzen (abgesehen von Sensoren mit interner
Verstärkung). Andererseits haben hochempfindliche
Sensoren immer eine relativ geringe obere Grenzfrequenz.
Bild 3 zeigt das typische Frequenzverhalten eines
Beschleunigungsaufnehmers bei Anregung mit konstanter Beschleunigung.
Bild 3:Frequenzgang eines
Beschleunigungsaufnehmers
Aus obigem Diagramm lassen sich
folgende charakteristische Frequenzgrenzen ablesen:
- Bei etwa 1/5 der
Resonanzfrequenz steigt die Empfindlichkeit auf das 1,05-fache. Der
Messfehler gegenüber der Kalibrierfrequenz wird ca. 5 %.
- Bei etwa 1/3 der
Resonanzfrequenz wird der Fehler ca. 10 %. Diese Grenze wird oft als
linearer Bereich charakterisiert.
- Die 3 dB-Grenzfrequenz,
die mit ca. 30 % Messfehler identisch ist, liegt bei der Hälfte der
Resonanzfrequenz.
Diese Angaben stellen typische Werte
dar und können je nach Aufnehmertyp variieren.
Die untere Grenzfrequenz wird hauptsächlich vom
angeschlossenen Messverstärker
bestimmt. Bei vielen
Geräten ist sie wählbar. Bei Verwendung von Spannungsverstärkern
wird sie von der RC-Zeitkonstante bestimmt, die sich aus dem
Verstärker-Eingangswiderstand, sowie den Kapazitäten von Sensor, Kabel
und Verstärkereingang bildet.
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