Piezo Accelerometer Tutorial
Accelerometer - Eigenschaften
Termische und elektrische Eigenschaften
Thermische Eigenschaften
Nach den Eigenschaften auf der „Empfindlichkeits-Achse“ und der „Frequenz-Achse“ ist die dritte wichtige Domäne die Temperatur. Bei der Temperatur kann zwischen der Temperaturbeständigkeit und dem Temperaturverhalten unterschieden werden.
Temperaturbeständigkeit
Die Fähigkeit, eine maximale (aber auch eine minimale) Temperatur zu überstehen, ist in erster Linie durch das Piezomaterial gegeben. Einige Beispiele haben wir im Kapitel über den piezoelektrischen Effekt gesehen. Meistens ist es die Curie-Temperatur des Piezomaterials, die die Temperatur-betändigkeit bestimmt. Dabei müssen wir immer einen Respektbstand zur Curie-Temperatur einhalten!
Natürlich müssen auch alle anderen Teile des Sensors ihre Funktion bei den extremen Temperaturen aufrechterhalten können und schliesslich ist auch die vom Sensorhersteller verwendete Kapselungs-methode sehr wichtig. Die absolute maximale (oder minimale) Temperatur, der der Aufnehmer ausgesetzt werden kann, wird normalerweise Überlebenstemperatur oder Kurzzeit-Überlebenstemperatur genannt. Diese Begriffe sind etwas vage und nicht standardisiert. Für die genaue Bedeutung sollte man sich auf die Definition des Herstellers beziehen,aber es bedeutet, dass der Sensor diesen Temperaturen ausgesetzt werden kann, ohne dass er dauerhaft beschädigt wird oder seine Funktionsfähigkeit leidet.
Ohne zusätzliche Angaben muss davon ausgegangen werden, dass der komplette Sensor diesen Temperaturen ausgesetzt wird, aber manchmal findet man getrennte Anforderungen für die Temperatur der Montagefläche (unit mounting temperature, UMT) und die Umgebungstemperatur (surrounding air temperature, SAT)
Betriebstemperaturbereich
Ähnlich wie beim Dynamikbereich können wir einen Temperaturbereich von der niedrigsten bis zur höchsten Betriebstemperatur festlegen, innerhalb dessen die spezifizierten Eigenschaften des Accelerometers garantiert sind. Neben einer gewissen Variation der Empfindlichkeit (die wir als Temperaturverhalten bezeichnen) ist der wichtigste Parameter, der von der Temperatur beeinflusst wird, der Innenwiderstand des Piezoelements. Für bestimmte Materialien ist die Verringerung des Widerstands entscheidender als die Curie-Temperatur.
Wie wir gesehen haben, hat der Innenwiderstand einen grossen Einfluss auf den Frequenzgang bei tiefen Frequenzen. Daher muss dieser Aspekt berücksichtigt werden, wenn Messungen von tiefen Frequenzen bei hohen Temperaturen erforderlich sind.
Die Einschränkungen durch den Innenwiderstand und die Curie-Temperatur beeinflussen die Obergrenze bzw. den Betriebstemperaturbereich. Manchmal gibt es aber auch eine Grenze nach unten. Einige Piezomaterialien durchlaufen einen Phasenübergang und funktionieren unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr. Glücklicherweise ist dieser Effekt reversibel.
Temperaturgradient
Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer können auch eine mehr oder weniger starke Reaktion auf Temperaturänderungen zeigen. Diese Phoneme werden im Kapitel "Störfaktoren" behandelt.
Temperaturgang (Temperatur-Empfindlichkeits-Fehler)
Der Temperaturgang gibt die Abweichung der Empfindlichkeit bei der Temperatur im Vergleich zur Raumtemperatur an.
Sie wird normalerweise in Prozent ausgedrückt, wobei 100 % die Empfindlichkeit bei Raumtemperatur ist.
Eine typische Aussage könnte beispielsweise lauten
± 5 % von 20°C bis 200°C und ± 8 % von 20°C bis -50°C
Typische Temperaturgangkurve und zugehörige Spezifikation.
Messaufbau
Um eine Temperaturgangmessung durchzuführen, benötigen wir eine Verlängerung vom Shaker in einen Ofen, um den Prüfling aufzuheizen, ohne den Referenzsensor zu erhitzen. Bei Bedarf können wir ein Kühleinrichtung verwenden. Als Anregung wird eine sinusförmige Schwingung mit der gleichen Stärke und Frequenz wie bei der Kalibration verwendet.
Mechanisch muss sichergestellt werden, dass es in der Nähe der Testfrequenz keine axiale oder transversale Resonanz gibt, die den Schwingungspegel von einem Ende zum anderen über den Verlängerungsstab beeinflussen könnte.
In thermischer Hinsicht müssen wir die Verzögerung bei der Erwärmung des Prüflings berücksichtigen. Wir können entweder verschiedene Temperaturschritte machen und diskrete Messungen vornehmen, nachdem sich der Prüfling erwärmt hat, oder wir können die Temperatur sehr langsam erhöhen und eine kontinuierliche Messung vornehmen.
Als Ergebnis wird die Empfindlichkeitsabweichung in Prozent (in Bezug auf den Messwert bei Raumtemperatur) in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen.
Ofen
Sinusförmiger Vibrationseingang
Referenz
Aufnehmer
Kühlung
Prüfling
Versuchsaufbau für die Temperaturgangmessung
Beeinflussende Designelemente
Die maximale Temperatur wird eindeutig durch das Piezomaterial bestimmt, und auch die Variation der Empfindlichkeit und des Widerstands mit der Temperatur hängt fast ausschliesslich davon ab.
Die Art der Kapselung ist oft von grosser Bedeutung für das Verhalten des Widerstands bei Temperatur. Natürlich müssen auch die anderen verwendeten Werkstoffe und Fügetechniken für die Einsatzbedingungen geeignet sein.
Ladungs- vs. Spannungs- Modus
Wird ein piezoelektrischer Sensor im Spannungsmodus verwendet, ist das Temperaturverhalten des Sensors im Allgemeinen nicht das gleiche wie im Ladungsmodus!
Elektrische Eigenschaften
Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Accelerometers sind der innere Widerstand und die Kapazität nebst dem Ausgangssignal selbst.
Ausgangs-Signal: Ladung vs. Spannung
Wir betrachten hier nur das Accelerometer mit reinem Ladungsausgang, das keine integrierte Elektronik hat. Der Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang sollte immer mit einem speziellen Ladungswandler betrieben werden, wie bereits in diesem Tutorial beschrieben.
Weitere Informationen im Kapitel „Signalwandler“.
Wenn aus irgendeinem Grund die Spannung am Ausgang von Interesse ist, muss darauf geachtet werden, dass jede zusätzliche Kapazität, die mit dem Messelement verbunden ist, den Messwert der Spannung U verringert.
Die Ladung ist Q=U·C , wobei C die Gesamtkapazität ist.
Die Gesamtkapazität C ist die Summe der Ausgangskapazität des Beschleunigungsmessers, des Verbindungskabels und der Eingangskapazität des Voltmeters.
Widerstand
Wir haben bereits gesehen, dass die Innenwiderstände eines piezoelektrischen Accelerometers einen grossen Einfluss auf die korrekte Funktion haben und daher wichtig sind.
In einem elektrisch symmetrischen Aufnehmer haben wir drei Einzelwiderstände:
R1 zwischen Pol 1 und dem Gehäuse,
R2 zwischen Pol 2 und dem Gehäuse,
R3 zwischen Pol 1 und Pol 2
Allerdings sind die drei Widerstände für eine einfache Messung nicht zugänglich, da sie immer in Dreieckschaltung zusammengeschaltet sind. Wir können die drei "entsprechenden" Widerstände Rx, Ry und Rz nennen.
Einzelwiderstände R1, R2 und R3 gegenüber Widerständen Rx, Ry und Rz in Dreieckschaltung verdrahtet
Nun sind die Widerstände Rx, Ry und Rz genau die, die für die Funktion mit externer Elektronik wichtig sind. Wenn beispielsweise Rz niedrig ist, spielt es keine Rolle, ob dies an einem niedrigen R3 liegt oder daran, dass R1 und R2 beide niedrig sind.
Wenn wir vom Innenwiderstand eines Beschleunigungssensors sprechen, meinen wir immer den kombinierten Widerstand Rz . Dasselbe gilt für die Pol-zu-Gehäuse-Widerstände Rx und Ry .
Messung von Rx, Ry und Rz
Die Widerstände des Accelerometers sind sehr hoch (in gesundem Zustand). Dies bedeutet, dass wir ein Megohmmeter verwenden, wie es üblicherweise zum Messen eines Isolationswiderstands verwendet wird. Die empfohlene Spannung beträgt 50 V oder 100 V. Allerdings ist Vorsicht geboten, wenn bei Temperatur gemessen werden soll. In diesem Fall ist es möglich, dass die Polarisation des Piezoelements beeinflusst wird und daher ist ein gewöhnliches Multimeter mit einigen Volt Prüfspannung die bessere Lösung.
Manchmal (z. B. zur Fehlersuche) werden die effektiven Werte der Widerstände R1, R2 oder R3 benötigt. Dazu empfiehlt es sich, die 4-Leiter-Methode zu verwenden, wie unten aufgezeigt.
Messung von R1, R2 und R3 (4-Leiter-Methode)
Die tatsächlichen Werte für R1, R2 und R3 können direkt über eine 4-Leiter-Methode mit separater Spannungsversorgung und Pico-Amperemeter gemäss den nachfolgenden Skizzen bestimmt werden.
Diese Methode setzt voraus, dass die Werte von R1, R2 und R3 wesentlich höher als die Innenwiderstände des pA-Meters und der Spannungsquelle sind (was normalerweise der Fall ist).
Der Widerstand ist jeweils R=U/i
Schaltbilder zur Messung der einzelnen Widerstände R1, R2 und R3 mit der 4-Leiter-Methode
Es wird empfohlen, die Messungen mit R3 zu beginnen und danach R1 und R2 zu messen, da die Entladung des Piezoelements (Zeitkonstante R3∙C3) nach der Messung von R1 und R2 die Messung von R3 beeinflussen könnte.
Kapazität
Die innere Kapazität hat für die gute Funktion eines piezoelektrischen Accelerometers in Verbindung mit einem Ladungswandler praktisch keine Bedeutung. Im Gegensatz dazu sind beim symmetrischen Accelerometer die Pol-zu-Gehäuse Kapazitäten wichtig. Sie sollten möglichst klein und vor allem gleich groß sein.
Weitere Erläuterungen im Kapitel "Signalwandler" .
Ähnlich wie bei den Widerständen finden wir in einem symmetrischen Beschleunigungssensor drei individuelle Kapazitäten:
C1 zwischen Pol 1 und dem Gehäuse,
C2 zwischen Pol 2 und dem Gehäuse,
C3 zwischen Pol 1 und Pol 2
Auch hier kann nicht direkt auf die Kapazitäten zugegriffen werden, da sie in einer Dreieckschaltung miteinander verdrahtet sind.
Die drei entsprechenden Kapazitäten Cx, Cy und Cz, die von aussen messbar sind, sind auch die, welche für die Funktion mit externer Elektronik von Bedeutung sind.
Einzelkapazitäten C1, C2 und C3 im Vergleich zu Cx, Cy und Cz in Dreieckschaltung
Mit interner Kapazität eines Accelerometers meinen wir immer die kombinierte Kapazität Cz .
Die Pol-zu-Gehäuse Kapazitäten sind Cx und Cy .
Messung
Für die Messung der kombinierten Pol-Gehäuse-Kapazitäten Cx, Cy oder der internen Kapazität Cz kann ein beliebiges LCR-Meter oder Kapazitätsmessgerät verwendet werden. Bei der Messung kleiner Kapazitätswerte ist darauf zu achten, dass durch die Verdrahtung und den Messaufbau verusachte parasitäre Kapazitäten, vermieden werden.
Wenn aus einem bestimmten Grund die einzelnen Werte der Kapazitäten C1, C2 und C3 benötigt werden, können die Messungen mit den Kurzschlussbrücken gemäss den folgenden Skizzen durchgeführt werden.
Diagramme zur Messung der Einzelkapazitäten C1, C2 und C3 mit Kurzschlussbrücken.
Mit CA, CB und CC können die einzelnen Kapazitäten wie unten gezeigt berechnet werden. Für ein korrektes Ergebnis muss jedoch die Messauflösung des höchsten Wertes von CA, CB und CC ausreichend sein, verglichen mit den signifikanten Stellen des niedrigsten Wertes.