Piezo Accelerometer Tutorial
Accelerometer Design
Elektromagnetische Interferenz
Unter den Funktionsprinzipien haben wir verschiedene elektrische Anordnungen des Sensorelements gesehen, wie "single ended" (ein Pol geerdet) oder "isoliert und völlig potentialfrei". Die Wahl solcher grundlegenden Konstruktionsmerkmale hängt von der Auslegung des Systems ab, in dem wir das Accelerometer einsetzen wollen.
Beim Entwurf eines Sensors müssen wir auch die elektromagnetische Umgebung berücksichtigen. Die umgebenden Stromleitungen, sowie elektronische und elektrische Geräte können so genannte elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugen. Die Auswirkungen der elektromagnetischen Felder können vom Sensor und insbesondere vom Signalanschlusskabel aufgenommen werden und das winzige Messsignal beeinträchtigen.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes, in einer elektromagnetischen Umgebung zu arbeiten und andere Geräte möglichst nicht zu beeinflussen.
Die Welt der EMI / EMV ist ziemlich komplex und eine detaillierte Diskussion würde für sich selbst ein Tutorial erfordern. Wir können das Thema hier nur streifen.
EMV wird unterteilt in Störaussendung (Emission) und Störanfälligkeit (Suszeptibilität) durch leitungsgeführte Kopplung und Strahlungskopplung. Die leitungsgeführte Kopplung umfasst auch induktive und kapazitive Kopplung im Nahfeld, während die Strahlungskopplung im Fernfeld wirkt.
Unser pico-Coulomb-Signal wird bei der Emission nicht viel ausrichten, aber es ist sehr anfällig gegenüber EMI. Der piezoelektrische Messkreis ist besonders empfindlich für die leitungsgeführte Kopplung und eventuall auch Strahlung.
Die Lösung, um diese Probleme zu reduzieren oder zu beseitigen, ist eine geeignete Abschirmung und Erdung.
Die Abschirmung
Die Abschirmung muss alle Teile des Messkreises, das Messelement, die Signalleitung und schliesslich den Ladungsverstärker einschliessen. Sie reagiert auf zwei Arten mit EMI. Sie kann einen Teil der Energie reflektieren und sie kann das Rauschen aufnehmen und zur Erde leiten, so dass die Störung das Innere nicht erreicht. Ein Teil der Energie geht jedoch immer noch durch die Abschirmung, jedoch stark gedämpft.
Die Abschirmung benötigt immer eine solide Verbindung zur Erde.
Eine erdfreie Abschirmung bietet keinen Schutz gegen elektromagnetische Störungen.
verbleibende
Energie
eingekoppelte EMI
reflektierte
Energie
zur Erde geleitete
Energie
innerhalb
ausserhalb
Abschirmung
Die Abschirmung reflektiert einen Teil der Energie und leitet den grössten Teil zur Erde.
Das Accelerometer
Beim Accelerometer wird die elektrische Abschirmung in weiten Teilen durch den Deckel gewährleistet. Zusammen mit dem Basisteil sind die Einbauten vollständig abgeschirmt. Wir unterscheiden zwei verschiedene elektrische Architekturen:
Die einpolige (asymmetrische) Ausführung, bei der ein Pol des Sensorelements mit dem Gehäuse verbunden ist und die elektrisch symmetrische, erdfreie Ausführung, bei der beide Pole vom Gehäuse isoliert sind.
Asymmetrisches Accelerometer.
Symmetrisches Accelerometer.
Die Abbildungen zeigen den elektrischen Schaltplan der beiden Grundlayouts. Die Abschirmung (d.h. das Gehäuse) ist gestrichelt dargestellt.
Die Maschine, auf der das Accelerometer montiert ist, stellt ebenfalls eine elektrische Erde dar, aber wir müssen damit vorsichtig umgehen, wie wir später sehen werden.
Das Signalkabel
Das Signalkabel ist schon schwieriger abzuschirmen. Wir wollen, dass das Kabel flexibel ist, und deshalb ist die Kabelabschirmung meist geflochten und hat von Natur aus viele kleine Löcher, wodurch die Abschirmwirkung weniger als 100% beträgt.
Aufgrund der Länge des Kabels können wir eine beträchtliche Kapazität zwischen dem Signalleiter und der Abschirmung haben. Auch der lineare Widerstand der Abschirmung ist nicht Null.
Es ist auch zu beachten, dass wir aufgrund der Länge des Leiters, der über die Abschirmung hinausragt, einen großen Teil des Schutzes verlieren können. Im Idealfall ist die Abschirmung über die gesammte Länge direkt mit den Gehäusen verbunden.
EMI-Wirkungen auf den einpoligen Messkreis
Schema des einpoligen Messkreises
Accelerometer, abgeschirmtes Kabel und Ladungsverstärker bilden den kompletten Messkreis. Alle Komponenten sind single ended, d.h. es gibt nur einen stromführenden Pol, während der andere Pol durch die Abschirmung gegeben ist. Dies ist eine unkomplizierte sehr einfache Architektur und benötigt am wenigsten Komponenten.
Ladungsverstärker
Ladungsverstärker
Kompletter Messkreis mit einpoligen Komponenten: Accelerometer, abgeschirmtes Kabel und Ladungsverstärker
Kapazitive Kopplung
Induzierte EMI
Induzierte EMI baut auf der Abschirmung eine Spannung auf. Kapazitiv eingekoppelte Störungen kommen durch.
Der größte Teil der EMI-Energie wird aufgefangen und zur Erde geleitet.
Da der Widerstand entlang der Kabelabschirmung nicht Null ist, kann sich eine Spannung aufbauen, die ein gewisses kapazitiv gekoppeltes Störsignal durchlässt, obwohl der grösste Teil der EMI-Energie zurückgehalten und zur Erde geleitet wird.
Natürlich nimmt der Widerstand entlang der Abschirmung mit der Kabellänge zu. Wir finden diese Art von Architektur daher nur, wenn relativ kurze Kabel verwendet werden können und die EMI nicht sehr stark ist.
Die meisten Abschirmungen, insbesondere bei einem Kabel, sind etwas "undicht", in Abhängigkeit vom Frequenzbereich der Störung. Darüber hinaus gibt es immer eine bestimmte parasitäre Kapazität zwischen der Abschirmung und jeder inneren Komponente. Dieser Effekt ist aufgrund des Dielektrikums der Isolation auf dem Kabel am schlimmsten.
Ladungsverstärker
Erdschleife
Ladungsverstärker
Dieser Effekt wird sich natürlich mit zunehmender Kabellänge und Spannungsdifferenz zwischen den Erdungspunkten verschlimmern.
Eine einfache Gegenmassnahme besteht darin, das Accelerometer von der Maschinenmasse zu isolieren, so dass die Schleife unterbrochen wird.
In einer industriellen Umgebung kann die Maschine oder Anlage, auf die das Accelerometer montiert ist, auf einem anderen elektrischen Potential liegen als die Masse am Elektronikschrank. Wenn die Abschirmung auf beiden Seiten mit der Erde verbunden ist, schaffen wir eine sogenannte Erdschleife, in der ein Strom fließt, wenn die Enden der Abschirmung auf unterschiedlichen Potentialen gehalten werden. Da der Widerstand der Abschirmung entlang des Kabels nicht Null ist, werden wir entlang der Abschirmung unterschiedliche Spannungen vorfinden, die wiederum durch die Kapazität zwischen der Abschirmung und dem Leiter in den aktiven Pol einkoppeln.
Erdschleifenstrom, der durch unterschiedliche Potentiale zwischen den Erdungspunkten induziert wird. Störungen werden aufgrund der Kabelkapazität eingekoppelt
Triaxial System
Ladungsverstärker
Triaxiale Schaltung (Accelerometer und Kabel)
Diese Konstruktion ist elektrisch vollständig potenzialfrei, wobei beide Pole von der Erde getrennt, jedoch nicht elektrisch symmetrisch sind.
Eine triaxiale Architektur bietet hervorragenden Schutz vor EMI.
Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn wir zu Accelerometer und Kabel eine weitere Abschirmung hinzufügen. Dann haben wir ein so genanntes triaxiales System. Die äussere Abschirmung ist nur an einem Ende geerdet, um eine Erdschleife zu vermeiden, während die innere Abschirmung weiterhin als Signalrückführung funktioniert.
EMI Auswirkungen auf den symmetrischen Messkreis
Ein etwas anderer Ansatz zur Unterdrückung von EMI ist die Verwendung von einem elektrisch symmetrischen Sensor, Kabel und Ladungsverstärker. Symmetrisch bedeutet, dass die Komponenten vollständig von der Masse isoliert sind und von beiden Polen zur Masse identische Impedanzen aufweisen (was bei der Single-Ended-Schaltung nicht der Fall war). Um ein Design mit identischen Impedanzen gegen Masse zu erhalten, ist es am einfachsten, auf beiden Seiten identische Teile (Elektroden, Isolatoren usw.) zu verwenden.
Differenzieller Ladungsverstärker
Das Herzstück einer symmetrischen Schaltung ist neben einem symmetrischen Accelerometer und Kabel die Verwendung eines differenziellen Ladungsverstärkers.
Im differentiellen Ladungsverstärker werden beide Eingänge, positiv und negativ, exakt gleich behandelt. So ist der Minuspol des Piezoelements nicht mehr mit Masse verbunden und wir haben jetzt für jede der beiden Leitungen einen separaten Ladungsverstärker mit je einer separaten Zwischen-Ausgangsspannung U1 und U2.
Ein dritter Verstärker wird Differenzverstärker genannt, weil er die Differenz zwischen zwei Spannungen liefert.
Sein Ausgang ist im Wesentlichen
Uout = U1 - U2 falls U2 = - U1 dann ist Uout = 2U
Ladungsverstärker 1
Ladungsverstärker 2
Differenz-verstärker
U 1
U 2
Jede an beide Eingänge angelegte gleich grosse Spannung (Gleichtaktspannung oder engl. common mode voltage) wird am Ausgang unterdrückt, da die Differenz Null ist.
Kurz gesagt: Das Differenzsignal wird durchgelassen, während das Gleichtakt-Störsignal unterdrückt wird. Die Abbildungen unten illustrieren dies.
Differenz-Ladungsverstärker
+ Signal
- Signal
Ausgang
Das Differenzsignal wird verstärkt
Differenz-Ladungsverstärker
Störung
Störung
Ausgang
Die Gleichtaktstörung wird unterdrückt.
Der ideale Differenzverstärker würde das gesamte Gleichtaktsignal, d.h. die Spannung, die beiden Seiten des Differenzeingangs gemeinsam ist, eliminieren. In der Praxis hat diese Sperrfähigkeit auch seine Grenzen. Wir nennen die Fähigkeit eines Differenzverstärkers, das Gleichtaktsignal am Ausgang zu eliminieren Gleichtaktunterdrückung (engl. common mode rejection).
Gleichtaktspannungen können durch kapazitive Kopplung in beide Leitungen oder durch ein Erdungsdifferential zwischen den beiden Enden der Differenzschaltung entstehen. Unabhängig davon ist nicht die Gleichtaktspannung von Interesse, sondern vielmehr die differentielle Ausgangsspannung. Daher ist das wirkliche Mass dafür, wie gut der Differenzverstärker die Gleichtaktspannung im Vergleich zum Nutzsignal unterdrückt, das sogenannte Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (common-mode rejection ratio).
Neben dem Verstärker selbst müssen auch alle anderen Komponenten am Eingang des Differenzverstärkers symmetrisch sein. Das bedeutet, dass bei Accelerometer und Kabel die Impedanzen der beiden Pole zur Abschirmung gleich sein müssen.
Kapazitive Kopplung
Hier ist eine komplette symmetrische Schaltung mit dem Accelerometer, dem Kabel und dem Differential-Ladungsverstärker. Das eingestrahlte EMI-Störsignal wird grösstenteils von der Abschirmung aufgefangen und zur Erde geleitet. Die beiden Leiter fangen aufgrund ihrer Kapazitäten gegenüber der Abschirmung auch einen kleinen Teil des Störsignals ein. Aufgrund der symmetrischen Schaltung ist das Störsignal auf beiden Leitern jedoch praktisch gleich, und am Ausgang des Differenzverstärkers wird dieses Störsignal weitgehend unterdrückt.
Es ist wichtig, dass der Schirm des Kabels nur an einem Ende geerdet ist! dadurch kann eine Erdschleife vermieden werden. Normalerweise ist die Qualität der Erdung auf der Elektronikseite besser als auf der Maschinenseite.
Deshalb ist dies das bevorzugte Ende zur Erdung der Abschirmung.
Die kapazitive Kopplung ist symmetrisch und auf beiden Signalleitungen praktisch identisch. Der Differenz-Ladungsverstärker unterdrückt das Rauschen weitgehend.
Induzierte EMI
Differenzieller
Ladungsverstärker
Magnetische Koppplung
Bisher haben wir uns auf die kapazitive Kopplung als vorherrschende Störungsart konzentriert. Die magnetische Kopplung können wir jedoch nicht vernachlässigen. Wir erinnern uns, dass ein veränderliches Magnetfeld eine Spannung in eine Leiterschleife induziert. Die Spannung wird umso größer, je größer die Fläche der Schleife ist.
Die beiden Leiter im Kabel bilden zusammen mit dem Piezoelement eine perfekte Schleife um Störungen durch induktive Kopplung einzufangen und sie direkt in den Ladungsverstärker zu leiten.
Differenzieller
Ladungsverstärker
Magnetfeld
Ein variables Magnetfeld induziert eine Spannung in eine Leiterschleife
Leider lässt sich ein Magnetfeld nur sehr schwer abschirmen. Es kann nur durch hochpermeables Material kanalisiert werden, was bei einem Kabel nicht sehr praktisch ist.
Der Trick, das Übel zu bekämpfen, besteht darin, die beiden Drähte miteinander zu verdrillen, um ein verdrilltes Paar zu erhalten.
Jede Verdrehung entlang des Kabels stellt dann eine kleine Schlaufe für sich selbst dar.
Wenn die Fläche der ersten Schleife A1 ist, hat die nächste Schleife ungefähr die gleiche Fläche A2. Sie sieht jedoch das Magnetfeld von der anderen Seite und die induzierte Spannung V2 hat ein umgekehrtes Vorzeichen zu der in der ersten Schleife induzierten Spannung V1.
Magnetfeld
Verdrilltes Leitungspaar. Zwei aufeinanderfolgende Schleifen heben die induzierte Spannung auf
Differenzieller
Ladungsverstärker
Das bedeutet, dass zwei aufeinanderfolgende Windungen die induzierte Spannung aufheben, vorausgesetzt, dass A1 und A2 etwa gleich sind und die Dichte des Magnetfeldes lokal homogen ist.
Die Verdrillung macht das Kabel auch flexibler und minimiert in gewisser Weise die Schleifenflächen zwischen den Drähten.
Das elektrisch ausgeglichene Layout mit einem Differenzverstärker stellt ein sehr robustes System dar und kann in einer EMI-belasteten Umgebung auch bei längeren Kabeln erfolgreich eingesetzt werden. Symmetrische Übertragungsleitungen werden auch als ein sehr weit verbreiteter Standard verwendet, um kleine elektrische Signale (auch andere als piezoelektrische Ladungssignale) in industriellen Umgebungen über längere Strecken zu leiten.
Eine gute Idee ist es natürlich, Signalkabel von den Starkstromleitungen zu trennen. Die beste Lösung ist immer noch, Störungen zu vermeiden, anstatt sie zu bekämpfen.
Rauscharme Kabel
In Bezug auf Ladungssignalkabel gibt es eine weitere nicht weniger wichtige Anmerkung. Durch die mechanische Verformung eines Kabels aufgrund von Vibration oder Biegung können durch innere Reibungen im Kabel elektrische Ladungen erzeugt werden. Dies wird als triboelektrischer Effekt bezeichnet und kann zu einem ganz erheblichen Rauschen genau im Frequenzbereich des Messsignals führen. In unserem hochohmigen Messkreis, in dem wir mit pico-Ampere arbeiten, können diese triboelektrischen Ladungen zur dominierenden Störungsquelle werden.
Rauscharme Kabel sind speziell für Ladungssignale von piezoelektrischen Accelerometern ausgelegt. Wenn sich innere Schichten des Kabels durch Biegung lokal trennen, können auch elektrische Ladungen getrennt werden und dadurch das Rauschen erzeugen. Eine spezielle halbleitende Schicht zwischen dielektrischer Isolierung und Abschirmung sorgt dafür, dass diese triboelektrischen Ladungen an Ort und Stelle kurzgeschlossen werden, wodurch das Rauschen erheblich reduziert wird.
Auch diesmal ist es besser, das Problem zu vermeiden als die Folgen zu bekämpfen. Das bedeutet, dass ladungführende Kabel sorgfältig niedergeklemmt werden müssen. Sie sollten niemals unter Vibrationen schlagen oder sich stark verbiegen.