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Piezo Accelerometer Tutorial
Accelerometer Design
Accelerometer-Design
Nun wissen wir genug, um die elementare Funktion eines Accelerometers zu verstehen, die wir uns in diesem Kapitel ansehen wollen. Wir sehen auch einige Designaspekte, die von den Randbedingungen diktiert werden, sowie grundlegende Konfigurationen mit den verschiedenen Arbeitsmodi des Piezoelements. Abschliessend werfen wir einen Blick auf den elektrischen Ausgang des Sensors mit einem Überblick über die normalerweise verwendete Elektronik
Funktionsprinzip
Wir merken uns:
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Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser kann nur die dynamische Beschleunigung messen.
Unterhalb einer bestimmten Mindestfrequenz wird das Ausgangssignal immer kleiner. -
Bei statischen Bedingungen wird der Ausgang Null .
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Die Empfindlichkeit ist proportional zur Masse der Trägheitsmasse und der piezoelektrischen Konstante des Sensorelements.
Zwei wesentliche Eigenschaften
Accelerometer Ausgang (Output)
Die Ladungsausgang von
diesem Accelereometer beträgt
Q = d33 · m · a
m = Masse
a = Beschleunigung
d33 = piezoelektrische Konstante
(im Kompressionsmodus)
Das bedeutet, dass das Ladungssignal ein exaktes Abbild der Beschleunigung ist, die auf den Sensor wirkt. Wenn also der mechanische Eingang eine sinusförmige Bewegung ist, ist der Ausgang ebenfalls ein Sinus. Wenn du auch das Plus- oder Minuszeichen des Signals benötigst, musst du daran denken, dass die Beschleunigung der Auslenkung entgegengesetzt ist.
Die Empfindlichkeit ist nur von der piezoelektrischen Konstante und der Masse abhängig. Alle technischen Materialien, wie auch die piezoelektrische Konstante, zeigen eine gewisse Streuung der Eigenschaften. In der Praxis sehen wir oft Abweichungen von bis zu 10%. Wenn wir wollen, dass die endgültige Empfindlichkeit in einer engeren Toleranz liegt, können wir die Masse entsprechend nacharbeiten. Deshalb ist die Masse so ausgelegt, dass sie etwa 10 bis 15 % schwerer ist als erforderlich, so dass alle Empfindlichkeiten höher ausfallen. Das endgültige Sensorelement kann dann durch Entfernen von Gewicht an der Masse kalibriert werden.
Entladungskurve
Die Ladung q auf einem Piezoelement klingt langsam auf Null ab, wenn man es sich selbst überlässt. Dies ist auf einen sehr kleinen Leckstrom zwischen der Plus- und Minusseite des Piezoelements zurückzuführen. Dadurch gleichen sich die Ladungen auf beiden Seiten nach einer Weile aus.
Die Dauer dieser Entladung wird durch die sogenannte Zeitkonstante bestimmt, die ihrerseits vom elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden und der Kapazität des Piezoelements abhängt.
Elektrische Ladung
Zeit
Natürliche Entladungskurve
Die Zeitkonstante ist ein wichtiges Merkmal des Accelerometers. Wir haben gesehen, dass für ein richtiges Funktionieren die Schwingung "schneller" sein muss als das Abklingen des Signals.
Das piezoelektrische Accelerometer ist nicht imstande, statische (kontinuierliche) Beschleunigung zu messen. Die minimale Frequenz, die gemessen werden kann, hängt von der Zeitkonstante des Piezoelements ab.
Funktionsmodi
Bei den klassischen Piezo-Accelerometern werden normalerweise zwei Funktionsmodi (oder Prinzipien) verwendet, nämlich der Kompressionsmodus und der Schermodus.
Kompressionsmodus
Die Abbildung zeigt ein Accelerometer im Kompressionsmodus.
Definieren wir die Teile zwischen der Basis und der Trägheitsmasse als Messelement.
Das Messelement besteht in diesem Fall aus zwei Isolationsringen, zwei Elektroden mit Drähten und schließlich dem Piezoelement. Die Teile werden normalerweise durch einen zentralen Bolzen zusammengehalten, sie können aber auch geklebt oder gelötet sein.
Das Accelerometer im Kompressionsmodus ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Bauform, da sie sehr einfach ist und sehr gute Grundeigenschaften hat.
Accelerometer im Kompressionsmodus
Schermodus
Ein weiteres bekanntes Design ist das Accelerometer im Schermodus (shear mode). Die hier gezeigte Variante ist ein symmetrischer Aufbau. Das Basisteil umfasst einen zentralen Träger. Zwei identische Messelemente mit den jeweiligen Trägheitsmassen sind links und rechts montiert.Charakteristisch für den Schermodus ist, dass die Piezoelemente senkrecht, in Empfindlichkeitsrichtung, mit seitlichen Elektroden angeordnet sind.
Manchmal wird nur eine Hälfte des Aufbaus verwendet, was zu einem einfacheren Design mit nur einem Messelement führt.
Accelerometer im Schermodus
Gestapeltes Messelement
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, können wir mehrere Piezo-elemente übereinander in einem Stapel verwenden. Wenn wir z.B. drei Piezoringe anstelle von einem verwenden, erhalten wir die 3-fache Empfindlichkeit. Alle Pluspole und die Minuspole werden parallel zu einem Ausgang zusammengeschaltet.
Die Verwendung von Stapeln ist in Kompressions- und Scher-Designs möglich.
Accelerometer im Kompressionsmodus mit mehreren Elementen
Nicht isolierte Ausführungen
Es gibt auch Bauarten, bei denen das Messelement gegenüber dem Gehäuse nicht isoliert ist, was die Konstruktion erheblich vereinfacht.
Eine beliebte Shear-Mode-Designvariante verwendet ein rohrförmiges Piezoelement und eine ringförmig montierte Trägheitsmasse. Dies führt zu einem sehr kompakten und starren Design. Die Teile werden normalerweise miteinander verlötet. Die Basis (zusammen mit dem Gehäuse) ist dann ein elektrischer Pol des Sensorelements, während die Trägheitsmasse den anderen Pol bildet.
Diese Art des elektrischen Layouts wird auch als single ended bezeichnet, da es nur einen stromführenden Pol gibt, wobei der andere Pol das Gehäuse ist.
Accelerometer mit Scherrohr-Element