
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.
Weiterführendes Dokument zur Piezoelektrizität:
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