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Accelerometer Design

Signal Wandler

Das Ladungssignal eines piezoelektrischen Sensors ist in seiner Art sehr speziel und kann ohne Einfluss auf das Signal selbst nicht an einen beliebigen Verstärker angeschlossen werden. Deshalb brauchen wir einen speziell angepassten Signalwandler, ein Gerät, das das Ladungssignal umwandelt, so dass es weiter verteilt und verarbeitet werden kann.

Ladungsverstärker

Warum sollten wir einen Ladungsverstärker brauchen? Könnten wir nicht genauso gut einen gewöhnlichen Spannungsverstärker verwenden?
Wenn wir ein Kabel verwenden, um das Piezoelement mit dem Spannungsverstärker zu verbinden, fügen wir mit dem Kabel eine zusätzliche elektrische Kapazität CKabel   hinzu. Zusammen mit der Kapazität CPiezo  des Piezoelements wird die Gesamtkapazität dann CTotal = CPiezo +CKabel. Die Erhöhung der Kapazität bedeutet, dass die Spannung des Piezoelementes deutlich sinkt. Ausserdem würde sich bei Verwendung eines Kabels mit einer anderen Länge die Spannung wieder ändern, so dass die Empfindlichkeit des Aufbaus nicht bekannt wäre.

Dieses Problem kann durch den Einsatz eines Ladungsverstärkers vermieden werden. Richtiger gesagt verstärkt er nicht die Ladung, sondern ist vielmehr ein Ladungs-Spannungswandler, d.h. er gibt eine Spannung ab, die der am Eingang anliegenden elektrischen Ladung entspricht. Der Ausgang eines Ladungsverstärkers ist ein elektrisches Standardsignal, das auch über grössere Distanzen mit anderen Geräten verbunden werden kann. Auf der Eingangsseite sollten wir vorsichtiger sein, da der Eingang normalerweise sehr empfindlich auf hohe Spannungen reagiert. Deshalb schließen wir den Eingang immer kurz, wenn wir am Eingang eines Ladungsverstärkers herum hantieren.

Ladungsverstärker arbeiten über einen großen Frequenzbereich einschließlich niedriger Frequenzen. Wenn es jedoch um extrem niedrige Frequenzen geht, sind ein guter Isolationswiderstand des Anschlusskabels und ein hoher Innenwiderstand des Accelerometers erforderlich. Andernfalls kann das Ausgangssignal leicht in Sättigung gehen. Obwohl wir bei sehr niedrigen Frequenzen messen können, ist ein Ladungsverstärker für die Messung statischer Ladungen nicht geeignet. Normalerweise gibt es am Verstärker die Möglichkeit, die Zeitkonstante zu wählen, die das Verhalten bei niedrigen Frequenzen bestimmt.

Bedingt durch die Zeitkonstante wird der Ausgang gegen Null gezogen, wenn die Frequenz zu niedrig wird. Die meisten Labor-Ladungsverstärker haben auch eine "quasi statische" Einstellung, die zumindest theoretisch statische Signale für kurze Zeit erlaubt. Dies erfordert jedoch extrem hohe Isolationswiderstände und auch einen kritischen Blick auf das Ergebnis.

In der Praxis enthält ein Ladungsverstärker auch zusätzliche Schaltungsstufen, wie Hoch- und Tiefpassfilter, Integratoren und Verstärkungskreise, sowie zusätzliche Ausgangsstufen zur Erzeugung eines standardisierten Spannungs- oder Stromausgangssignals.

 

Integrierte Elektronik (IEPE)

In Anbetracht des Signalrauschens und der einfachen Signalübertragung ist der Beschleunigungsmesser selbst ein guter Ort, um einen Verstärker zu platzieren. Tatsächlich ist es durchaus üblich, eine kleine Elektronik im Sensorgehäuse zu platzieren, wenn Spezifikationen wie Temperatur und andere Umgebungsbedingungen dies zulassen. Diese Technik heißt IEPE und steht für Integrated Electronics Piezo-Electric. Es gibt jedoch auch eingetragene Handelsnamen wie ISOTRON (Endevco), ICP (PCB), CCLD und DeltaTron (beide B & K) oder Piezotron (Kistler). Die IEPE-Sensorelektronik wandelt das hochohmige Signal des Piezoelements in ein niederohmiges Spannungssignal um. Niedrige Impedanz bedeutet einen robusteren Ausgang, der die Verwendung längerer Kabel und weniger Rauschen durch elektromagnetische Störungen ermöglicht.

Wenn der Conditioner im Sensor montiert ist, gibt es natürlich kein Kabel vom Piezoelement und kein Problem mit der Kapazität. Die gesamte IEPE-Schaltung besteht aus einer externen Konstantstromquelle als Stromversorgung, die sich am anderen Ende eines Koaxialkabels befindet. Über den Mittelleiter werden sowohl der Versorgungsstrom als auch die Ausgangsspannung übertragen. Die gemeinsame Rückführung erfolgt über die Kabelabschirmung. Typische Versorgungsströme liegen im Bereich von 2 bis 20 mA.

Das Kabel muss nicht besonders rauscharm sein, wie bei einer Ladungsübertragung. Ein Standard-Koax wird es tun. Wenn wir jedoch sehr lange Kabel verwenden möchten (sagen wir mehr als 10 Meter), kann die Reaktion für höhere Frequenzen (sagen wir über 10 kHz) beeinträchtigt werden, wenn der Versorgungsstrom nicht ausreicht, um die Kabelkapazität zu bewältigen.

Die Lieferanten stellen normalerweise Nomogramme zur Verfügung, um die Grenzfrequenz im Hinblick auf Kabelkapazität und Versorgungsstrom zu bestimmen. Wir können beibehalten: Je höher der Versorgungsstrom, desto länger die mögliche Kabellänge.

Zusammenfassung

Die IEPE-Schaltung ist extrem einfach. Der Sensor, der Teil des gängigsten Designs ist, besteht aus nur einem einfachen MOSFET-Transistor. Gleichzeitig wird eine robuste Signalübertragung mit nur wenigen Einschränkungen bereitgestellt. Aufgrund der Einfachheit sind diese Schaltungen auch unter rauen Bedingungen sehr zuverlässig. Es gibt IEPE-Sensoren mit überraschend grosser Temperaturbeständigkeit von kryogen (5°K) bis zu 175°C. Es werden sogar bis zu 200 °C angegeben.