Zugriff auf Beschleunigungsmesser

ein komplexes Thema auf einfache Weise

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Eigenschaften des Beschleunigungsmessers

Zugriff auf Beschleunigungsmesser

Abschließende Überlegungen


Synthese von Eigenschaften


Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind beliebt

Es hat sich gezeigt, dass piezoelektrische Beschleunigungssensoren sehr oft die beste Wahl für die Messung absoluter Schwingungen in der Industrie, aber auch im Labor sind. Es gibt unterschiedliche Bauformen für nahezu jeden Einsatzzweck und somit eine große Modellvielfalt. Im Vergleich zu anderen Arten von Sensoren haben piezoelektrische Beschleunigungssensoren wichtige Vorteile:

Mit piezoelektrischen Messelementen lassen sich Sensoren mit extrem großem Dynamikbereich realisieren, da sie einerseits sehr robust sind und andererseits ein nahezu rauschfreies Signal erzeugen.

Es gibt piezoelektrische Beschleunigungssensoren, die 1 μg (= 0,000001 g) genau messen können, während andere 100'000 g aushalten. Ein einzelner Sensor kann Vibrationsamplituden im Bereich von 1 bis 1'000'000 (120dB) mit einer hervorragenden Linearität von typischerweise weniger als 1% über den gesamten Dynamikbereich perfekt reproduzieren.


Dynamikbereich, Linearität


Frequenzbereich

Außerdem haben piezoelektrische Beschleunigungsmesser einen großen Frequenzbereich. Frequenzen in der Größenordnung von 50 mHz bis 50 kHz können mit weniger als 5 % Abweichung gemessen werden


Temperaturbereich

Es gibt piezoelektrische Beschleunigungsmesser, die bei einer Betriebstemperatur von 4 K (-269 °C) bis 1020 K (747 °C) arbeiten. Dieser Temperaturbereich von über 1000K wird von einem einzigen Piezomaterial abgedeckt!


Zuverlässigkeit

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind sehr kompakt. Sie haben keine beweglichen Teile und daher keinen Verschleiß, was zu einer außergewöhnlichen Zuverlässigkeit führt.


  Mittlere Zeit zwischen Fehlern

Das übliche Maß für die Zuverlässigkeit wird in einer Zahl namens MTBF, Mean Time Between Failure, ausgedrückt.  MTBF ist buchstäblich die durchschnittliche Zeit, die zwischen einem Fehler und dem nächsten Fehler vergeht. Es ist also die durchschnittliche Zeit, in der etwas funktioniert, bis es ausfällt und wieder repariert werden muss. Bei nicht reparierbaren Produkten wird sie als Mean Time To bezeichnet  Ausfall (MTTF). Ein defekter Beschleunigungssensor wird oft nicht repariert, weil die Kosten nicht wirtschaftlich sind. In der Praxis wird jedoch meist der Begriff MTBF anstelle von MTTF verwendet.

Die Berechnung der MTBF ist eine Wissenschaft für sich. Es benötigt Erfahrungswerte für das Versagen der Einzelteile, genauer gesagt für das Versagen der Funktion des Teils. Beispielsweise kann ein Anschlussdraht die Funktion der Signalübertragung haben, dazu gehört aber auch die entsprechende Lötstelle oder sonstige Verbindung. Für jede Funktion muss eine Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. Ausfallrate λ bestimmt werden. Diese gibt an, mit wie vielen Ausfällen der Funktion in einem Zeitraum, zB in 1'000'000 Stunden, zu rechnen ist. Es wird angenommen, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit über die Zeit konstant ist. Um die Ausfallrate des gesamten Beschleunigungssensors zu finden, werden die λ-Werte aller Funktionen gemäß einer Ausfalllogik kombiniert.

Werden die einzelnen Funktionen in Reihe geschaltet, also ein Komponentenausfall = kompletter Systemausfall, dann können die λ-Werte einfach addiert werden. Für die Funktion der gesamten Einheit gilt dann:

MTBF = 1 / λ insgesamt
Bei teilweise redundanten Funktionen, wie z. B. zwei parallele Fahrdrähte etc., wird die Berechnung deutlich komplizierter.


Langzeitstabilität

Nicht zuletzt ist die Stabilität der Funktionen über einen längeren Zeitraum eine der wichtigen Eigenschaften.


 Empfindlichkeit

Standard-Textfeld


 Resonanz

Standard-Textfeld


Undesirable Properties

Of course there are also characteristics which are less desirable.

More on this you will find in the chapter "Disturbing Factors".

 
 


Trade-off zwischen Empfindlichkeit-Frequenz-Temperatur

Die drei Hauptachsen, die den Sensor bestimmen, sind Empfindlichkeit, Temperaturbeständigkeit und Frequenzgang (Resonanz). Zwischen diesen drei Achsen besteht eine starke Abhängigkeit.

Um dies zu zeigen, erinnern wir uns an die Berechnung der Empfindlichkeit eines Kompressionselements.

Mit der Masse m die piezoelektrische Konstante  D  und der Anzahl der Piezoscheiben n erhalten wir:

  • S = m · d · n

und für die Resonanzfrequenz:

  • F res ² ~ k / m  mit   k ~ 1/n

Sketch showing design elements of an accelerometer

​Es gibt eine typische Kompromisssituation zwischen diesen drei Hauptmerkmalen. Wenn wir eine Achse bevorzugen, leiden die beiden anderen.

  • Um eine hohe Empfindlichkeit zu erhalten , benötigen wir eine große Masse m und (oder) einen großen Koeffizienten d.
    S     m ,d

  • Mit zunehmender Temperaturfähigkeit wird die piezoelektrische Konstante d  nimmt drastisch ab.
    T max      D 

  • Um eine hohe Resonanz zu erhalten , müssen wir die Masse m verringern und die Anzahl der Scheiben n verringern.
    F res     m ,d

Das interaktive Bild zeigt diese Zusammenhänge.

Picture_all.png
Picture_sens.png
Picture_temp.png
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Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, Temperaturfähigkeit und Frequenzgang